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能源材料,第二章 二次电池材料.ppt

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    • 第 二 章 二 次 电 池 材 料,第二章 二次电池材料,2.1 基本概念 2.2概述 2.3铅蓄电池 2.4锂离子电池 2.5锂离子聚合物电池,2.1 基本概念,2.1.1 化学能 化学能是一种很隐蔽的能 量,它不能直接用来做功,只 有在发生化学变化的时候才释 放出来,变成热能或者其他形 式的能量1) 电池1: 把化 学能转换成电能的 装置如干电池、 蓄电池 (2)电解池:把 电能转换成化学 能的装置2.1.2 电池和电解池,2.1.3电极(electrode)及其称呼,,(1)电极:可以接受电子或放出电子成为中介的导电物质 一个电池氧化反应和还原反应要各自分别进行,所以需要两个电极 (2)阳极(anode):进行氧化反应的电极称为阳极 阴极(cathode):进行还原反应的电极称为阴极 (3)正极(positive electrode):电势高的一极称为正极 负极(negative electrode):电势低的一极称为负极碳棒,锌皮,,,(4)参比电极:把电势稳定、操作容易的电极作为负极与某一电极组成电池,测电池的电动势即为某一电极的电极电势,其中电势稳定的电极称为参比电极,也叫基准电极 。

      常用的参比电极有银-氯化银电极、氢电极和甘汞电极电 池,,电极,电解液,,,正极,负极,,,阴极,阳极,,电极,电解液,电解池,,,2.1.3电极(electrode)及其称呼,2.1.4电池的充电和放电,(1)电池的放电:电池接在电灯、计算器和收音机等上面时的使用状态叫做电池的放电放电是要消耗电池的电能 (2)电池的充电:电池放电后,由于被外部取走了电能,所以,要使电池恢复原状,必须从外部对电池补充电能补充电能的过程叫做充电 充电和放电是逆反应电池充电时进行的是电解反应,此时其相当于一个电解池电池为什么能够进行充电呢?,充电电池一般有一共同的电化学特性,即:其中的化学反应是可逆反应,可以通过外加电源,让电能转化为化学能,使放过电的电池恢复到原来的状态注意:如果其中的化学反应是不可逆的,电池就不能充电,否则将造成泄漏、爆炸等事情!,讨论:电池的重要指标是什么?,电池电压、电池容量和电池寿命,2.1.5 电池电压,电池的标称电压为电池电压的近似值 用电压表或万用表可以进行测定 不同类型、不同大小的电池电压也不同,2.1.6电池容量 容量是指电池存储电量的大小电池容量的单位是“mAh”,中文名称是毫安时(在衡量大容量电池如铅蓄电池时,为了方便起见,一般用“Ah”来表示,中文名是安时,1Ah=1000mAh)。

      不同型号,抛开体积和重量的因素,当然容量越高越好. 但是同样的电池型号,标称容量4(比如600mAh)也相同,实际测的初始容量不同:比如一个为660mAh,另一个是605mAh,那么660mAh的就比605mAh的好吗. .,2.1.7使用寿命,使用寿命:蓄电池每充电、放电一次,叫做一次充放电循环,蓄电池在保持输出一定容量的情况下所能进行的充放电循环次数,叫做蓄电池的使用寿命自身放电:正极与负极反应的溶液要经过长时间会逐渐混合,放电在电池中进行,这种现象叫做自身放电2.1.8自身放电,2.1.9一次电池(primary battery)与二次电池(secondary cell),(1)一次电池:电池内的活性物质因放电而消耗,用完就扔的、不能再进行充电的电池称为一次电池,比如锰干电池经济实用,但浪费材料,丢弃物还容易污染环境 (2)二次电池:可以反复进行放电、充电的电池叫做二次电池,也叫蓄电池,比如铅蓄电池 可以用到不能再充电复原为止放电时负极上发生氧化反应,正极上发生还原反应 充电时,负极上发生还原反应,正极上发生氧化反应2.1.9 电池的分类,电 池,,能否重复使用,,一次电池,二次电池,,电解液的状态,,湿电池,干电池,2.1.9电池的分类,电 池,,能否重复使用,,一次电池,二次电池,,电解液的状态,,湿电池,干电池,,通过向电解液中添 加明胶或淀粉等物 质使其糊状化的电 池,2.1.9 电池的分类,电 池,,能否重复使用,,一次电池,二次电池,,电解液的状态,,湿电池,干电池,,电解液处 于流动状 态的电池,2.1.9 电池的分类,电 池,,能否重复使用,,一次电池,二次电池,,电解液的状态,,湿电池,干电池,形状,,圆柱形电池,纽扣电池,扁平形电池,2.1.9 电池的分类,电 池,,能否重复使用,,一次电池,二次电池,,电解液的状态,,湿电池,干电池,形状,,圆柱形电池,纽扣电池,扁平形电池,当前世界电池工业发展的3个特点: 绿色环保电池迅猛发展,包括锂离子电池、镍氢电池等; 一次电池向二次电池转化,这符合可持续发展战略; 电池进一步向小、轻、薄方向发展。

      2.2概述,二次电池是能够通过反复充电与放电储存电能,根据需要向外界提供直流电的电源,常用做能够运输、储藏的电源二 次 电 池,镍-氢二次电池,,锂离子二次电池,,镍-镉二次电池,铅 蓄 电 池,二 次 电 池,镍-氢二次电池,,锂离子二次电池,,镍-镉二次电池,铅 蓄 电 池,,1902年Jűngner 发明的镍-镉二次电池的优缺点,优 点,,自身放电少,输出功率大,耐过充电过放电,缺点:价格高,负极材料镉有毒、会污染环境二 次 电 池,镍-氢二次电池,,锂离子二次电池,,镍-镉二次电池,铅 蓄 电 池,二十世纪八十年代末出现的新型二次电池,镍-氢二次电池的优点,镍-氢二 次电池,和Ni/Cd电池相比,不含有毒金属镉,能量密度高,无记忆效应,,,,自从锂离子电池出现以来,镍氢可充电电池的市场正在逐渐被锂离子电池产品蚕食,并且随着高功率锂离子的出现.镍氢可充电电池在传统的电动工具场的优势也正在一步步丧失二 次 电 池,镍-氢二次电池,,锂离子二次电池,,镍-镉二次电池,铅 蓄 电 池,1894年开发以来作为二次电池的代表一直在广泛使用之中,二 次 电 池,镍-氢二次电池,,锂离子二次电池,,镍-镉二次电池,铅 蓄 电 池,2.3铅蓄电池(lead acid battery),2.3.1概述 铅蓄电池又称铅酸电池(俗名电瓶),是1894年普兰特(Plante)开发的,经过多次改良至今仍在使用。

      1990年,镍-氢二次电池应用非常广泛,但日本的二次电池总产量的66%是铅蓄电池2.4锂离子二次电池 2.4.1 概述,音频和视频 等装备的便 携化小型化,二十世纪八十年代中期开始,促 进,作为电源的电池 从干电池向可充 电电池的过渡,促 进,镍-镉二次电池 的大容量化,二十世纪九十年代达到了其技术的极限,其放电容量不可能再有大的提高,2.4锂离子二次电池 2.4.1 概述,音频和视频 等装备的便 携化小型化,二十世纪八十年代中期开始,促 进,作为电源的电池 从干电池向可充 电电池的过渡,促 进,镍-镉二次电池 的大容量化,,开发出镍-氢二 次电池和锂离 子二次电池,二十世纪九十年代前后,至2004年锂离子电池的销售额高达44亿美元以上,占二次电池市场份额的73%,稳居二次电池市场的霸主地位2.4.2锂24电池,自从1958 年美国加州大学的一位研究生提出了锂,钠等活泼金属做电池负极的设想后,人类开始了对锂电池的研究而从1971 年日本松下公司的福田雅太郎发明锂氟化碳电池并使锂电池实现应用化商品化开始什么是锂电池?,锂电池是一类以金属锂或含锂物质作负极的化学电源的总称锂电池的优点,优点,比能量高,电池电压高,工作温度范围宽,储存寿命长,,锂电池的优点,优点,比能量高,电池电压高,工作温度范围宽,储存寿命长,,200-450Wh/kg,锂电池的优点,优点,比能量高,电池电压高,工作温度范围宽,储存寿命长,,3V 左右,锂电池的应用,移动,便携式计算机,照相机,摄像机,应用,,,,,实用化的锂电池,实 用 化 的 锂 电 池,Li-MnO2,Li—I2,Li-CuO,Li-SOCl2,Li-(CFx)n,Li-SO2,Li-Ag2CrO4,,锂电池的缺点,缺点,安全性能差9,寿命短,,,锂电池与锂离子二次电池的关系25,锂电池,锂离子二次电池,,锂电极用 碳代替时,锂离子电池,液态锂离子电池(LIB),聚合物锂离子电池(PLIB),,能量密度高,循环特性好,自放电小,输出电压高,记忆效应小,锂离子电池优势,,,,,,2.4.2 锂离子二次电池的优势,无污染,,质量轻,体积小,,,能量密度高,循环特性好,自放电小,输出电压高,记忆效应小,锂离子电池优势,,,,,,2.4.2 锂离子二次电池的优势,,300-350Wh/dm3, 125-145Wh/kg,且 还在继续提高。

      无污染,,能量密度高,循环特性好,自放电小,输出电压高,记忆效应小,锂离子电池优势,,,,,,2.4.2 锂离子二次电池的优势,,初始开路电压为 4.1-4.2V,平均 工作电压为3.6- 3.7V无污染,,能量密度高,循环特性好,自放电小,输出电压高,记忆效应小,锂离子电池优势,,,,,,2.4.2 锂离子二次电池的优势,,自放电率在常温 下每月10%是镍镉电池、镍氢可充电电池的一半一下无污染,,能量密度高,循环特性好,自放电小,输出电压高,记忆效应小,锂离子电池优势,,,,,,2.4.2 锂离子二次电池的优势,,可以循环使用的次数多,用硬碳材料做负极材料的电池已达到了1200次.,无污染,,能量密度高,循环特性好,自放电小,输出电压高,记忆效应小,锂离子电池优势,,,,,,2.4.2 锂离子二次电池的优势,在满充电或近乎满充电状态长时间保存后电池的可放电时间缩短的现象,无污染,,,2.4.3 锂离子电池的应用,应用领域,移动,数码产品,动力车,电动工具,蓝牙,备用电源,,,,,,,军事,,我国的研究现状,我国科学家从70代末就开始二次锂电池研究,80年代开始,中科院的“六五”、“七五”和“八五”三个五年计划期间都把固体电解质二次锂电池列为重点课题。

      七五”国家“863”计划启动时,就以储能材料专题的名义对二次聚合物锂电池给予了大力支持,包括中科院、大学和产业界的11个实验室在专题负责单位中科院物理所的协调下,在聚合物电解质、电极材料和电池的设计、制作方面取得了丰富的成果,为目前我国几千亿安时的锂离子电池产业化群体的形成在科学技术和工程设计以及人员储备等方面都作出了重大贡献目前我国已成为小功率锂离子电池的主要生产地与此相适应,锂离子电池相关材料的研究和开发也已取得很大的进展,已经或即将实现产业化锂离子电池的安全要求,(1)短路:不起火,不爆炸 (2)过充电:不起火,不爆炸 (3)热箱试验:不起火,不爆炸(150℃恒温10min) (4)针剌:不爆炸(用Ф3mm钉穿透电池) (5)平板冲击:不起火,不爆炸(10kg重物自1M高处砸向电池) (6)焚烧:不爆炸(煤气火焰烧烤电池),锂离子电池安全设计,安 全 设 计,隔膜135℃自动关断保护,向电液中加入添加剂,电池盖复合结构,各种环境滥用试验,,锂离子电池安全设计,安 全 设 计,隔膜135℃自动关断保护,向电液中加入添加剂,电池盖复合结构,各种环境滥用试验,,采用国际先进的Celgard2300PE-PP-PE三层复合膜,锂离子电池安全设计,安 全 设 计,隔膜135℃自动关断保护,向电液中加入添加剂,电池盖复合结构,各种环境滥用试验,,电池过充,添加剂与电液中其他物质聚合,电池内阻大副增加,锂离子电池安全设计,安 全 设 计,隔膜135℃自动关断保护,向电液中加入添加剂,电池盖复合结构,各种环境滥用试验,,电池盖采用刻痕防爆结构,锂离子电池安全设计,安 全 设 计,隔膜135℃自动关断保护,向电液中加入添加剂,电池盖复合结构,各种环境滥用试验,,外部短路、过充、针刺、平板冲击、焚烧,锂离子电池几乎没有记忆效应,但是多次充放电后其能量还是会下降。

      锂离子电池能量下降原因,主要是正负极材料本身的变化:。

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