1、材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 电池材料电池材料现代化学学论第现代化学学论第1小组小组材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页电池发展史电池发展史 1780-17911780-1791年，发明伽尼尔电池。年，发明伽尼尔电池。 18001800年，伏打电堆的发明标志着电池的诞生。年，伏打电堆的发明标志着电池的诞生。 18591859年，普朗特发明铅酸电池。年，普朗特发明铅酸电池。 18681868年，勒克朗谢发明锌年，勒克朗谢发明锌/ /二氧化锰干电池。二氧化锰干电池。 18991899年，发明年，发明Ni/CdNi/Cd蓄电池。蓄电池。 195119
2、51年，发明密封年，发明密封Ni/FeNi/Fe蓄电池。蓄电池。 19901990年，发明锂离子电池。年，发明锂离子电池。 19951995年，发明聚合物电解质锂离子电池。年，发明聚合物电解质锂离子电池。2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页电池分类电池分类2022-5-31电池电池锌电池锌电池铅电池铅电池锂电池锂电池其他新型电池其他新型电池碱性二次电池碱性二次电池锂二次电池锂二次电池锂一次电池锂一次电池锌锌/锰干电池锰干电池碱锰电池碱锰电池锌锌/空气一次电池空气一次电池锌锌/溴电池溴电池Ni/Fe电池电池Ni/Cd电池电池Ni/M
3、H电池电池燃料电池等等燃料电池等等现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-31新型电池材料新型电池材料新新型型电电池池材材料料锂离子电池材料锂离子电池材料镍氢电池材料镍氢电池材料燃料电池材料燃料电池材料最具发展潜力的新能源技术最具发展潜力的新能源技术现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1.1.锂离子电池材料概述锂离子电池材料概述1.1 1.1 发展背景发展背景 由于空间和军用的需求以及电子技术的迅速发由于空间和军用的需求以及电子技术的迅速发展，对展，对体积小、质量轻、比能量高、使用寿命长体积小
4、、质量轻、比能量高、使用寿命长的电池要求日益迫切，对上述各项性能的要求越的电池要求日益迫切，对上述各项性能的要求越来越高。锂离子二次电池正是在这一形式下发展来越高。锂离子二次电池正是在这一形式下发展起来的一种新型能源。起来的一种新型能源。2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-31 锂离子电池是在锂二次电池基础上发展起来锂离子电池是在锂二次电池基础上发展起来的一种新型充电电池，它的正负极材料都是能发的一种新型充电电池，它的正负极材料都是能发生锂离子生锂离子嵌入嵌入- -脱出脱出反应的物质。反应的物质。 充电态充电态: :
5、负极处于富锂态，正极处于贫锂态。负极处于富锂态，正极处于贫锂态。 在充放电过程中，锂离子在正负极间摇来晃去，在充放电过程中，锂离子在正负极间摇来晃去，而无金属锂的析出，因此，锂离子电池又称为而无金属锂的析出，因此，锂离子电池又称为 “ “摇椅电池摇椅电池”。1.2 1.2 锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页图1 锂离子电池充放电原理这种电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物的浓度有关现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1.3 1.3 锂离子电池负极材料锂离子电池
6、负极材料2022-5-31负负极极材材料料碳素材料碳素材料非碳材料非碳材料石墨材料石墨材料软碳材料软碳材料硬碳材料硬碳材料锡的氧化物锡的氧化物锡基复合氧化物锡基复合氧化物含锂过渡金属氮化物含锂过渡金属氮化物纳米级负极材料纳米级负极材料现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1.3.1 1.3.1 碳素材料碳素材料 碳材料是人们最早开始研究并应用于锂离子碳材料是人们最早开始研究并应用于锂离子电池的生产中、至今仍为大家关注和研究的重点电池的生产中、至今仍为大家关注和研究的重点之一。之一。 碳材料负极的充放电反应是锂在固相内嵌入碳材料负极的充放电反应是锂在固
7、相内嵌入- -脱嵌反应，在电池充放电过程中，锂在负极材料脱嵌反应，在电池充放电过程中，锂在负极材料的内脱的内脱/ /嵌并形成嵌并形成锂碳插入化合物锂碳插入化合物LiLix xC C6 6。LixC6Lix-yC6+yLi+ye-现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1） 石墨材料石墨材料 在石墨材料中，层与在石墨材料中，层与层间靠范德华力键合在一层间靠范德华力键合在一起形成层状结构，其良好起形成层状结构，其良好的的层状结构层状结构，更适合，更适合LiLi离离子的脱子的脱/ /嵌，形成锂嵌，形成锂- -碳插碳插入化合物入化合物LiLix xC C6 6
8、易解离易解离柔软柔软有润滑性有润滑性导电性导电性现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页理想石墨晶体的层间距理想石墨晶体的层间距为为0.33538nm，右图为，右图为六面体对称。六面体对称。现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-31石墨材料的典型充放电曲线石墨材料的典型充放电曲线材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2） 软碳材料软碳材料 在软碳中，石墨微晶间取软碳材料可分为在软碳中，石墨微晶间取软碳材料可分为石墨化软碳和非石墨化软碳。石墨化软碳和非石墨化软碳。
9、向差别较小，结合力很弱，在高温下，微向差别较小，结合力很弱，在高温下，微晶很晶很容易容易转动合并成石墨晶体，所以，软碳也转动合并成石墨晶体，所以，软碳也称为易石墨化碳称为易石墨化碳。 软碳材料经2000以上处理,在结构上接近石墨,在嵌锂特性嵌锂特性上也和石墨相似。现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3）硬碳材料）硬碳材料 在硬碳中，微晶间取向差别较大，存在交联，结合力很强，在硬碳中，微晶间取向差别较大，存在交联，结合力很强，即使在高温下也即使在高温下也不容易不容易转动，很难转变成石墨，所以，硬碳也称转动，很难转变成石墨，所以，硬碳也称为非石墨化碳或
10、者难石墨化碳。为非石墨化碳或者难石墨化碳。现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1.3.2 1.3.2 非碳材料非碳材料1.锡的氧化物锡的氧化物 锡的氧化物有锡的氧化物有氧化锡氧化锡SnOSnO2 2和和氧化亚锡氧化亚锡SnOSnO，两者都，两者都具有一定的储锂能力，其混合物也具有储锂能力。具有一定的储锂能力，其混合物也具有储锂能力。2.锡基复合氧化物锡基复合氧化物 在在SnSn的氧化物中加入一些金属或非金属氧化物，的氧化物中加入一些金属或非金属氧化物，如如FeFe、TiTi、GeGe、SiSi、AlAl、P P、B B等元素的氧化物。目等元素的氧化
11、物。目前，这种材料的脱嵌机理及充放电循环性能等还有前，这种材料的脱嵌机理及充放电循环性能等还有待进一步研究。待进一步研究。现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3.含锂过渡金属氮化物含锂过渡金属氮化物 是在氮化锂是在氮化锂LiLi3 3N N这种高离子导体材料研究基础上这种高离子导体材料研究基础上发展起来的，也具有高离子导电性和过渡金属价态可发展起来的，也具有高离子导电性和过渡金属价态可变性，在结构上可分为反变性，在结构上可分为反CaFCaF2 2型和型和LiLi3 3N N型两种，最具型两种，最具代表性的材料分别为代表性的材料分别为LiLi7 7M
12、nNMnN4 4和和LiLi3 3-xCo-xCox xN N等。等。制备方法高能球磨、电化学沉积、水溶液体系还原法高能球磨、电化学沉积、水溶液体系还原法4.纳米级负极材料纳米级负极材料 目前已报道的有：目前已报道的有：SnSbxSnSbx，SnAgxSnAgx，FeSnx/FeSnCFeSnx/FeSnC，CuSnx,C/Si,nano-SiCuSnx,C/Si,nano-Si等。等。现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页获得更高嵌锂量的同时，降低材料的获得更高嵌锂量的同时，降低材料的首次不可逆容首次不可逆容 量量，并将其控制在总容量的，并将其控制
13、在总容量的10%10%以内；以内；研究和提高材料的研究和提高材料的体积比容量体积比容量，使电池容量真正得，使电池容量真正得到提高；到提高；充分考察具有高比平面、高活性的纳米材料的充分考察具有高比平面、高活性的纳米材料的安全安全性性；符合符合大生产大生产要求的纳米材料生产及其实际使用方式要求的纳米材料生产及其实际使用方式方法与工艺技术；方法与工艺技术；降低材料的生产和使用降低材料的生产和使用成本成本，使其真正具有使用价，使其真正具有使用价值。值。研究中注意的实际问题：研究中注意的实际问题：现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1.41.4锂离子电池正极
14、材料锂离子电池正极材料2022-5-31正极材料正极材料锂钴氧化物锂钴氧化物锂镍氧化物锂镍氧化物尖晶石尖晶石LiMn2O4 正极活性物质是决定锂离子电池性能的重要正极活性物质是决定锂离子电池性能的重要因素之一。普遍为电池业接受的正极活性物质主因素之一。普遍为电池业接受的正极活性物质主要是层状结构的锂钴氧化物和锂镍氧化物，以及要是层状结构的锂钴氧化物和锂镍氧化物，以及尖晶石结构的锂锰氧化物。尖晶石结构的锂锰氧化物。现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1.4.1 1.4.1 锂钴氧化物锂钴氧化物 目前商品化锂离子电目前商品化锂离子电池几乎全部采用池几乎
15、全部采用LiCoOLiCoO2 2作作为正极材料，具有工作电为正极材料，具有工作电压高（压高（3.6V3.6V）、放电稳定）、放电稳定、适合大电流放电、比能、适合大电流放电、比能量高、循环性好、制备工量高、循环性好、制备工艺简单等优点。艺简单等优点。 现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-31锂钴氧化物的合成技术有：A 高温合成技术 一般是以Li2CO3和CoCO3为原料，按nLi：Co（摩尔比）为1：1配制，在700900下，空气氛围灼烧而成。B 低温合成技术 这种低温合成技术相对于高温合成技术而言是指前期的合成温度较低或经软化学处理
16、，后期高温合成所需时间较短而已。a.低温固相合成法；b.低温熔溶盐法；c.溶液共混法；d.喷雾干燥法；e.沉淀法；f.溶胶-凝胶（Sol-gel）法现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1.4.2 1.4.2 锂镍氧化物锂镍氧化物 主要是指主要是指LiNiO2LiNiO2。在一定的条件下，。在一定的条件下，LiLi能够在能够在NiONiO层与层之间进行嵌入脱出，使得它成为理想的层与层之间进行嵌入脱出，使得它成为理想的锂离子电池嵌基材料。锂离子电池嵌基材料。不足：不足：制备困难、安全性较差、在高温脱锂状态下热稳定制备困难、安全性较差、在高温脱锂状态下热
17、稳定性较差、工作电压较低、可逆循环性较差。性较差、工作电压较低、可逆循环性较差。关键：改进合成方法材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-31LiNiO2的充放电曲线的充放电曲线材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1.4.3 1.4.3 尖晶石尖晶石LiMn2O4正极材料正极材料制备方法：制备方法： 高温固相法、融盐浸渍法、共沉淀法、高温固相法、融盐浸渍法、共沉淀法、PechiniPechini法，电化学法、喷雾干燥法、溶胶法，电化学法、喷雾干燥法、溶胶- -凝胶凝胶法等软化学方法。其中高温固相反应法和溶胶法等软化学
18、方法。其中高温固相反应法和溶胶- -凝凝胶法为主要的合成方法。胶法为主要的合成方法。优点成本低、无污染、电性能好，应用前景非常诱人成本低、无污染、电性能好，应用前景非常诱人现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1.5 1.5 锂离子电池电解质材料锂离子电池电解质材料基本要求：基本要求：p良好的离子导电性良好的离子导电性p高离子迁移数高离子迁移数p一定的化学稳定性一定的化学稳定性p足够的机械强度足够的机械强度2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-31锂锂离离子子电电池池电电解解
19、质质液体电解质液体电解质固体电解质固体电解质无机液体电解质无机液体电解质有机液体电解质有机液体电解质无机固体电解质无机固体电解质有机固体电解质有机固体电解质熔融盐熔融盐纯固体聚合物电解质纯固体聚合物电解质胶体聚合物电解质胶体聚合物电解质从相态分：从相态分：现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页1.6 1.6 锂离子电池的应用锂离子电池的应用 锂离子电池具有以下优点锂离子电池具有以下优点: :高电压、高容量、高电压、高容量、低消耗、无记忆效应、无公害、体积小、内阻小、低消耗、无记忆效应、无公害、体积小、内阻小、自放电少、循环次数多。因其上述显著特点自放
20、电少、循环次数多。因其上述显著特点, ,锂离锂离子电池已应用到子电池已应用到移动电话、笔记本电脑、摄像机、移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机等众多民用及军事领域数码相机等众多民用及军事领域。 另外另外, ,国内外也在竞相开发电动汽车、航天和储国内外也在竞相开发电动汽车、航天和储能等方面所需的大容量锂离子电池。能等方面所需的大容量锂离子电池。2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-312.1 2.1 发展背景：发展背景： 随着社会经济的持续发展，电池的需求量越来随着社会经济的持续发展，电池的需求量越来越大，特别是可充电
21、电池的市场需求量迅速增加越大，特别是可充电电池的市场需求量迅速增加，镍氢电池以其，镍氢电池以其容量大、无污染、价格适中容量大、无污染、价格适中等优等优越性，迅速获得了广泛应用。越性，迅速获得了广泛应用。2.2.镍氢镍氢电池材料概述电池材料概述 镍氢电池是一种性能非常优异的新型电池，它镍氢电池是一种性能非常优异的新型电池，它一定会取代目前大量应用的镍镉电池。一定会取代目前大量应用的镍镉电池。现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2.22.2 工作原理工作原理 2022-5-31（1 1）负极反应）负极反应 充电过程充电过程: M+H: M+H2 2O+
22、 e MHO+ e MHadad+ OH+ OH- - MH MHad ad - Mh- Mhadad- MHad- MHad 放电过程：放电过程：- MH- MHadad（- MH- MHadad ） MHMHadad MH MHadad + OH + OH- -M+HM+H2 2O+ eO+ e（2 2）正极反应（与镍）正极反应（与镍- -镉电池同）镉电池同） 正常充电：正常充电：Ni(OH)Ni(OH)2 2 +OH-NiOOH+ H2O+e +OH-NiOOH+ H2O+e 正常放电：正常放电：NiOOH+HNiOOH+H2 2O+e Ni(OH)O+e Ni(OH)2 2+OH-+O
23、H- （3 3）电池反应）电池反应 正常充电：正常充电：M+ Ni(OH)M+ Ni(OH)2 2MH+ NiOOHMH+ NiOOH 正常放电：正常放电：MHMHadad+ NiOOH M+ Ni(OH)+ NiOOH M+ Ni(OH)2 2 过放电过程：过放电过程：H H2 2( (正极正极) H) H2 2( (负极负极) )现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2.32.3 镍氢电池的优点镍氢电池的优点（1 1）能量密度高，是镉）能量密度高，是镉- -镍电池的镍电池的1.51.52.02.0倍倍（2 2）电池电压为）电池电压为1.21.21
24、.3V1.3V，与镉，与镉- -镍电池相当镍电池相当（3 3）可以快速充放电）可以快速充放电（4 4）低温特性较好）低温特性较好（5 5）可密封，耐过充放电性能好）可密封，耐过充放电性能好（6 6）无毒和无环境污染，被称为）无毒和无环境污染，被称为“绿色环保电池绿色环保电池”（7 7）不使用贵金属催化剂）不使用贵金属催化剂（8 8）无记忆效应）无记忆效应2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2.4 2.4 镍氢电池的电极材料镍氢电池的电极材料 镍氢电池，属于新型二次碱性电池。镍氢电池，属于新型二次碱性电池。 镍氢电池正极的活性物质镍
25、氢电池正极的活性物质氢氧化镍氢氧化镍，负极，负极活性物质为活性物质为化学沉淀法,粉末金属法,金属镍电解法贮氢合金稀土系钛系镁系钒系锆系现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-312.5 2.5 镍氢电池的电解质材料镍氢电池的电解质材料 氢氢-镍电池多采用含镍电池多采用含30LiOH的的 KOH水溶液，水溶液，作为电解质作为电解质。 电解液的组成、浓度用量等对电池性能均有一电解液的组成、浓度用量等对电池性能均有一定的影响，可根据具体情况进行选择。定的影响，可根据具体情况进行选择。现代化学选论2.6 2.6 镍氢镍氢电池的应用电池的应用 氢镍
26、电池逐步取代镉镍电池在电动工具、电氢镍电池逐步取代镉镍电池在电动工具、电动助力车、电话子母机、便携式电话、摄像机、动助力车、电话子母机、便携式电话、摄像机、微型电脑等高性能电源的市场。微型电脑等高性能电源的市场。材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3.3.燃料电池材料燃料电池材料 燃料电池（燃料电池（Fuel Cell, FCFuel Cell, FC）是一种新兴的）是一种新兴的化学能源，其具有化学能源，其具有能量转换效率高、燃料使用和能量转换效率高、燃料使用和场址选择灵活、洁净、噪声低场址选择灵活、洁净、噪声低等优点。美、日、等优点。美、日、加、欧洲及澳洲在
27、燃料电池的研究和应用领域处加、欧洲及澳洲在燃料电池的研究和应用领域处于世界前沿，我国早在于世界前沿，我国早在2020世纪世纪5050年代起就开始了年代起就开始了燃料电池的理论研究。燃料电池的理论研究。3.1 3.1 发展背景发展背景现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3.23.2 工作原理工作原理 燃料电池是一种电燃料电池是一种电化学装置，简单地讲，化学装置，简单地讲，是是反应物燃料与空气中反应物燃料与空气中的氧气的氧气发生电化学反应发生电化学反应而获得电能和热能的装而获得电能和热能的装置。能量转化过程为化置。能量转化过程为化学能直接转化成电能和学
28、能直接转化成电能和热能，形成的电能为低热能，形成的电能为低压直流电能。压直流电能。现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页以碱性燃料电池为例，所发生的电化学反应如下以碱性燃料电池为例，所发生的电化学反应如下燃料（如氢）在阳极发生氧化反应：燃料（如氢）在阳极发生氧化反应：H2+2OH-H2O+2e-标准电极电位：标准电极电位：-0.828V氧化剂（如氧）在阴极发生还原反应：氧化剂（如氧）在阴极发生还原反应：1/2O2+H2+2e2HO-标准电极电位：标准电极电位：0.401V整个电池的反应：整个电池的反应：1/2O2+H2H2O电池理论标准电势：电池理论
29、标准电势： V0=0.401-(-20.828)=1.229V 即单电池的输出电压为即单电池的输出电压为1.229V。为了得到所需的电。为了得到所需的电压和电流，可以通过电池的压和电流，可以通过电池的串联和并联串联和并联，使其组成，使其组成一定发电能力的电池组。一定发电能力的电池组。现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3.33.3 燃料电池的分类燃料电池的分类1）碱性燃料电池）碱性燃料电池AFC2）磷酸型燃料电池）磷酸型燃料电池PAFC3）熔融碳酸盐燃料电）熔融碳酸盐燃料电池池MCFC4）固体氧化物燃料电固体氧化物燃料电池池SOFC5）质子交换膜燃
30、料电）质子交换膜燃料电池池PEMFC现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3.4 3.4 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池SOFC现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3.4.1 3.4.1 工作原理工作原理 SOFCSOFC采用固体氧化物作为电解质。固体氧化物采用固体氧化物作为电解质。固体氧化物高温下具有传递高温下具有传递O O2-2-的能力，在电池中起传递的能力，在电池中起传递O O2-2-和和分离空气、燃料的作用。燃料气为分离空气、燃料的作用。燃料气为氢气，一氧化氢气，一氧化碳，天然气，煤制气，蒸
31、馏油碳，天然气，煤制气，蒸馏油。2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3.4.2 3.4.2 电解质材料电解质材料 在在SOFCSOFC中，电解质材料的主要作用是在阴极与阳极之间中，电解质材料的主要作用是在阴极与阳极之间传递传递氧离子和对燃料及氧化剂的有效氧离子和对燃料及氧化剂的有效隔离隔离。SOFCSOFC对电解质对电解质材料的具体要求如下：材料的具体要求如下： (1) (1)稳定性稳定性 在在SOFCSOFC操作温度下，氧化性气氛和还原性气操作温度下，氧化性气氛和还原性气氛中电解质必须具有足够的化学稳定性、形貌稳定性和尺氛中电解
32、质必须具有足够的化学稳定性、形貌稳定性和尺寸稳定性。寸稳定性。 (2) (2)电导率电导率 电解质必须在氧化性气氛和还原性气氛中均电解质必须在氧化性气氛和还原性气氛中均具有足够高的离子电导率，且氧离子传递系数接近于具有足够高的离子电导率，且氧离子传递系数接近于l l 。 (3) (3)相容性相容性 电解质材料必须与其他电他组件电解质材料必须与其他电他组件( (如电极等如电极等) )具有良好的化学相容性。具有良好的化学相容性。2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-31 (4)(4)热膨胀系数热膨胀系数 电解质的热膨胀系数
33、必须与其他电电解质的热膨胀系数必须与其他电 池材料在室温至操作温度的范围内相匹配。池材料在室温至操作温度的范围内相匹配。 (5)(5)致密性致密性 电解质材料必须易于制备成致密的薄膜，电解质材料必须易于制备成致密的薄膜，以有效地隔离燃料与氧化剂以有效地隔离燃料与氧化剂( (空气或氧气空气或氧气) )。现代化学选论 常用固体氧化物电解质材料：常用固体氧化物电解质材料： 有有Y2O3、CaO等掺杂的等掺杂的Bi2O3、CeO2、ZrO2、TlO2、HfO2氧化物形成的固溶物。氧化物形成的固溶物。目前，研究最深入、最有使用价值的电解质材目前，研究最深入、最有使用价值的电解质材料是具有立方萤石结构的料
34、是具有立方萤石结构的Y2O3，ZrO2(YSZ)材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3.4.3 3.4.3 阳极材料阳极材料 SOFCSOFC阳极的主要作用是为燃料的电化学氧化提供阳极的主要作用是为燃料的电化学氧化提供反应场所，所以反应场所，所以SOFCSOFC阳极材料必须在还原气氛中阳极材料必须在还原气氛中稳定并具有足够高的电子电导率和对燃料氧化稳定并具有足够高的电子电导率和对燃料氧化反应的催化活性。反应的催化活性。 在中温、高温在中温、高温SOFCSOFC中，适合作为阳极催化剂的材中，适合作为阳极催化剂的材料主要有金属、电子导电陶瓷和混合导体氧化物料主要有
35、金属、电子导电陶瓷和混合导体氧化物等。常用的阳极催化剂有等。常用的阳极催化剂有NiNi、CoCo和贵金属材料。和贵金属材料。其中金属其中金属NiNi由于其具有高活性、低价格的特点，由于其具有高活性、低价格的特点，应用最为广泛。应用最为广泛。在在SOFCSOFC中，通常将中，通常将NiNi分散于分散于YSZYSZ或或SDCSDC等电解质材料中制成复合金属陶瓷阳极。等电解质材料中制成复合金属陶瓷阳极。2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3.4.4 3.4.4 阴极材料阴极材料 阴极的作用是为氧化剂的电化学还原提供场所。阴极的作用是为氧
36、化剂的电化学还原提供场所。因此阴极材料必须在氧化气氛下保持稳定，并在因此阴极材料必须在氧化气氛下保持稳定，并在SOFCSOFC操作条件下具有足够高的电于电导率和对氧电化学还操作条件下具有足够高的电于电导率和对氧电化学还原反应的催化活性。原反应的催化活性。2022-5-31 目前，在高温目前，在高温SOFCSOFC的研究与开发中使用最广泛的的研究与开发中使用最广泛的阴极材料是阴极材料是SrSr搀杂的搀杂的LaMnOLaMnO3 3(LSM)(LSM)。 对中温对中温SOFCSOFC，通常采用，通常采用SrSr、FeFe搀杂的出搀杂的出LaCoOLaCoO3 3 ( (LSCFLSCF) )、Sr
37、CoFeSrCoFe3-x 3-x ( (SCFSCF) )、SrSr搀杂的搀杂的SmCoOSmCoO3 3( (SSCSSC) )等离等离子子电子混合导电材料作阴极。电子混合导电材料作阴极。现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页3.5 3.5 燃料电池的应用燃料电池的应用氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池已成功地应用氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池已成功地应用于于载人航天飞行载人航天飞行，作为，作为ApolloApollo登月飞船和航天飞登月飞船和航天飞机的船上主电源，证明了燃料电池高效、高比能机的船上主电源，证明了燃料电池高效、高比能量、高可靠性。量、
38、高可靠性。以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有近以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有近百台百台PC25(200 kw)PC25(200 kw)作为作为分散电站分散电站在世界各地运行在世界各地运行。不但为燃料电池电站运行取得了丰富的经验，。不但为燃料电池电站运行取得了丰富的经验，而且也证明燃料电池的高度可靠性，可以用作不而且也证明燃料电池的高度可靠性，可以用作不问断电源。问断电源。2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页质子交换膜燃料电池可在室温快速启动，并可按负质子交换膜燃料电池可在室温快速启动，并可按负载要求快速改变输出功率
39、，它是载要求快速改变输出功率，它是电动车电动车、不依赖空、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源的最佳候选气推进的潜艇动力源和各种可移动电源的最佳候选者。者。固体氧化物燃料电池可与煤的气化构成联合循环，固体氧化物燃料电池可与煤的气化构成联合循环，特别适宜于建造特别适宜于建造大型、中型电站大型、中型电站，如将余热发电也，如将余热发电也计算在内，其燃料的总发电效率可达计算在内，其燃料的总发电效率可达7070一一8080。熔融碳酸盐燃料电池可采用净化煤气或天然气作燃熔融碳酸盐燃料电池可采用净化煤气或天然气作燃料。适宜于建造区域性料。适宜于建造区域性分散电站分散电站。将它的余热发电。将它的余热发电
40、与利用均考虑在内，燃料的总热电利用效率可达与利用均考虑在内，燃料的总热电利用效率可达6060一一7070。2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页4. 4. 总结展望：总结展望：2022-5-31现代化学选论 对新型、高效、环保能源材料的强劲要求，全球对新型、高效、环保能源材料的强劲要求，全球锂电池、太阳能电池、燃料电池发展迅速并带动锂电池、太阳能电池、燃料电池发展迅速并带动相关材料产业的发展；相关材料产业的发展； 燃料电池发展潜力备受
41、关注，新材料层出不穷；燃料电池发展潜力备受关注，新材料层出不穷；但电池标准亟待定制，材质、工艺、效率有待改但电池标准亟待定制，材质、工艺、效率有待改善，成本有待降低；善，成本有待降低； 太阳能电池材料方面，提高效率、降低成本、扩太阳能电池材料方面，提高效率、降低成本、扩大规模是其应用的关键；大规模是其应用的关键； 锂电池材料方面，负极材料容量有待提高，未来锂电池材料方面，负极材料容量有待提高，未来可能采用纳米化碳材；可能采用纳米化碳材；材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页参考文献：参考文献： 李景虹李景虹.先进电池材料先进电池材料M.北京北京:化学工业出版社，
42、化学工业出版社，2004 齐宝森齐宝森.新型材料及其应用新型材料及其应用M.哈尔滨哈尔滨:哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学出版社出版社,2007 曹艳军曹艳军,龙翔云龙翔云,程云峰程云峰.锂离子电池正极材料的研究现状锂离子电池正极材料的研究现状和展望和展望J.化工技术与开发化工技术与开发,2007,36(3):16-18. 周复周复.新型锂离子电池材料的制备及性质研究新型锂离子电池材料的制备及性质研究D.安徽，安徽，中国科学技术大学，中国科学技术大学，2006. 衣宝廉衣宝廉. 燃料电池：原理燃料电池：原理技术技术应用应用. 北京北京:化学工业出化学工业出版社，版社， 20032022-5-31现
43、代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页参考文献：参考文献： 李瑛李瑛. 燃料电池燃料电池. 2000 黄镇江黄镇江. 燃料电池及其应用燃料电池及其应用. 2005 衣宝廉衣宝廉. 燃料电池燃料电池高效、环境友好的发电方式高效、环境友好的发电方式. 北京北京:化化学工业出版社，学工业出版社， 2000 日日石井弘毅石井弘毅. 图说燃料电池原理与应用图说燃料电池原理与应用. 2003 林维明林维明. 燃料电池系统燃料电池系统. 19962022-5-31现代化学选论材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 上一页上一页下一页下一页2022-5-31现代化学选论
