材料科学进展新能源材料ppt课件.ppt

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1、材料科学进展新能源材料,新能源材料Energy Materials（二）,主要内容,一、概述二、新型二次电池材料三、太阳能电池材料四、燃料电池材料五、超导材料,二次电池材料,含铅、镉，污染,绿色电池,二、新型二次电池材料,金属氢化物镍电池材料（Ni/MH）锂离子电池材料（LIB）,1. Ni/MH电池结构及工作原理,工作原理,各类锂电池产品,2.锂离子电池结构及工作原理,LIB工作原理,锂离子电池是由两个能可逆的嵌入与脱嵌的锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。充电时,锂离子从正极中脱嵌, 在负极中嵌入, 放电时反之。,LIB电池涉及的材料,LIB电池材料,正极材料；负极材料；电解质材料；聚

2、合物隔膜；正负极导电添加剂；正负极活性物质；电池壳；密封件；防爆片,LIB的负极材料,LIB电池负极材料,1、金属锂优点：比容量最高, 3400mAh/g;缺点：1)充电后在负极表面新沉积的锂缺乏钝化膜的保护，部分锂将与电解质反应并被反应物包覆，与电极失去电接触。2)充电时在负极表面形成枝晶，形成短路，毁坏电池，甚至爆炸。,LIB电池负极材料,1、金属锂解决金属锂负极不稳定的方法：1）寻找新的负极材料；2）采用聚合物电解质避免Li与有机溶剂反应；3）改进有机电解液配方。,LIB电池负极材料,2、锂合金各种常见锂合金材料：LiAl, LiPd, LiSn, LiBi, LiIn, LiAlFe,

3、 LiAlB, LiSi等。优点：避免了枝晶生长，提高了安全性；缺点：循环过程中，体积变化大，容易粉化失效。改进方法：采用复合体系；合金纳米化,LIB电池负极材料,3、碳负极材料碳材料：石墨、碳纤维、石油焦、无序碳和有机裂解碳。已经商品化！优点：1）充电时不会形成枝晶，避免了短路，提高了使用安全性和寿命；2）充放电可逆性好、容量大。3）电极电位与锂接近。,LIB电池负极材料,3、碳负极材料锂嵌入石墨中形成施主型嵌入化合物（给石墨提供电子）： LiC6。充放电机理为锂离子可逆嵌入。,4、氧化物材料如：1）含Li的氧化物：LiWO2, Li6Fe2O5, LiNb2O5; 具有尖晶石结构的Li4T

4、i5O12：零应变材料 3Li+ Li4Ti5O12 Li7Ti5O12,LIB电池负极材料,LIB电池负极材料,5、其他负极材料如：Li3-xMxN (M为Co、Ni、Mn、Fe) Mg2Ge,LIB电池负极材料,对LIB电池负极材料的要求：（1）在锂嵌入过程中电极电位变化小；（2）有较高的比容量；（3）有较高的充放电效率；（4）在电极材料内部和表面，锂离子具有 较高的扩散速率；（5）具有较高的结构稳定性、化学稳定性和热 稳定性（6）价格低廉、容易制备,LIB电池正极材料,LIB电池正极材料不仅作为电极材料参加电化学反应，而且可作为离子源。大多为含锂的过渡族金属化合物。,LIB电池正极材料及

5、其放电电位,LIB电池正极材料,三种主要的LIB电池正极材料LiCoO2, LiNiO2和LiMn2O4的性能对比,LIB电池正极材料,1、LiCoO2正极材料为NaFeO2六方晶型结构，为R3m空间群。已经商品化。优点：工作电压高达4.5V，容量高，可循环性好，寿命长，可低温合成。缺点：成本高,LIB电池正极材料,LiCoO2正极材料的制备方法固相反应 (Li2CO3 + 2CoCO3 + 0.5O2 2LiCoO2 + 3CO2) 水热法共沉淀法溶胶凝胶法喷雾干燥法EDTA络合法,LiCoO2正极材料,LIB电池正极材料,2、LiNiO2正极材料结构与LiCoO2类似。优点：价格低，重量比

6、容量大缺点：不易合成。在应用中分解温度低，电池易燃、易爆。,LIB电池正极材料,3、LiMn2O4正极材料尖晶石结构，Fd3m优点：价格低廉，无毒，原材料丰富缺点：不易合成，比容量低,高温循环和存放性差。,LIB电池正极材料,4、复合正极材料（1） LiNixCo1-xO2复合氧化物；优点：成本低、热力学稳定性好、循环稳定性好、容易制备、容量较高正逐步实现商品化和实用化。（2）改性LiMyMn2-yO4复合正极材料(M=Co,Cr,Ni,Al),LIB电池正极材料,5、有机硫化物正极材料,LIB电池正极材料,6、导电高分子正极材料,碳酸丙稀脂（PC）,LIB电池电解质材料,1、非水有机溶剂电解

7、质含锂无机盐；有机溶剂：四氢呋喃（THF）、碳酸丙稀脂（PC）、 碳酸乙稀脂（EC）、二甲基碳酸脂（DMC）含锂无机盐：LiClO4, LiBF4, LiPF62、聚合物电解质：聚氧化乙烯（PEO）3、无机固体电解质：Li4SO4, Li3N,锂离子电池,笔记本电脑及其锂离子电池,锂离子电池动力汽车,即将在北京公交系统上投入使用的锰酸锂电池动力汽车,2005年5月通过验收,锂离子电池动力汽车,三菱汽车开发的电动汽车,2006年将进行公路试验,锂离子电池组,三、太阳能电池材料,1、无机太阳电池（光伏效应半导体）1）晶体硅太阳能电池材料2）非晶硅太阳能电池材料3）II-V族多晶薄膜太阳能电池材料4

8、）III-VI 族化合物太阳能电池材料2、有机太阳电池3、光化学太阳电池,太阳能电池材料,太阳能电池材料,空间电源系统的面积随太阳能电池转换效率的提高而不断减小DJ:GaInP/GaAs/Ge,太阳能电池材料,非晶硅电池板,太阳电池片,有机太阳电池(并五苯),四、燃料电池材料,燃料电池是一种在等温下直接将储存的燃料和氧化剂中的化学能高效（50%70%）而与环境友好地转化为电能的发电装置质子交换膜燃料电池材料熔融碳酸盐燃料电池材料固体氧化物燃料电池材料,燃料电池基本工作原理,燃料电池材料,质子交换膜燃料电池材料(AIP),质子交换膜燃料电池工作原理,电解质的一种-“离子交换膜,燃料电池应用,燃料电池动力手机和笔记本,燃料电池应用,美军“攻击者”燃料电池车,超越者二代燃料电池车,了解燃料电池的发展状况,