《新能源材料與器件》教學(xué)課件-04電化學(xué)能源材料與器件

第四章概述鋰離子二次電池固態(tài)鋰電池電化學(xué)超級電容器金屬-空氣電池其他儲能電池電化學(xué)能源材料與器件概述24.1用途廣泛的電源太陽能電池筆記本電腦專用電池攝影機專用電池老式手機電池各種紐扣電池概述34.1電源（powersource）：一種提供電能的裝置電源因可以將其他形式的能轉(zhuǎn)換成電能，所以把這種提供電能的裝置叫作電源。電源是人類發(fā)展史上最偉大的發(fā)明之一，1799年伏特發(fā)明電池，標志著化學(xué)電源的誕生。經(jīng)過200多年的發(fā)展，化學(xué)電源的種類和數(shù)量不斷增加，外形和設(shè)計不斷更新，應(yīng)用范圍不斷拓展，化學(xué)電源已經(jīng)成為現(xiàn)代生活中不可或缺的動力源。第二次世界大戰(zhàn)后，由于空間技術(shù)、移動通信、導(dǎo)彈、航空航天等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代人們對能源危機和環(huán)境保護間題的日益關(guān)注，高能量密度的二次電池研究和開發(fā)引起了人們廣泛的興趣。常見的電源是電池（直流電）與家用的110~220V交流電源。概述44.1電池化學(xué)電池或化學(xué)電源將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置一次電池二次電池儲備電池燃料電池物理電池利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池太陽能電池超級電容器飛輪電池等生物電池利用生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池微生物電池酶電池生物太陽能電池等概述54.1化學(xué)電源的特點便于攜帶、使用簡單工作參數(shù)可在相當大的范圍內(nèi)人為地改變工作范圍廣、對環(huán)境適應(yīng)性強能量轉(zhuǎn)換效率高，工作時無噪蓄電池可貯存能量減少環(huán)境污染。

概述64.1化學(xué)電源的組成和工作原理構(gòu)成電池的必要條件：

–化學(xué)反應(yīng)中的兩個過程必須分隔在兩個區(qū)域進行。（區(qū)別于一般的化學(xué)反應(yīng)）

–物質(zhì)在發(fā)生氧化還原反應(yīng)時，電子必須經(jīng)過外電路。（區(qū)別于腐蝕電池）

概述74.1化學(xué)電源的組成和工作原理化學(xué)電源的工作原理

以丹尼爾電池為例討論化學(xué)電源的工作原理：

丹尼爾電池：

（－）Zn│ZnSO4│|CuSO4│Cu(+)

負極：Zn－2e→Zn2+

氧化

正極：

Cu2+＋2e→Cu還原

電池反應(yīng)：

Zn＋Cu2+→Zn2+＋Cu

—成流反應(yīng)

概述84.1電池在工作時的特點：

?電化學(xué)反應(yīng)是在M/S界面上進行的，既有物質(zhì)轉(zhuǎn)移也有電子轉(zhuǎn)移。

?氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)是“共軛”產(chǎn)生的，這兩個過程分割在兩個區(qū)域進行。

?發(fā)生氧化反應(yīng)的電極為陽極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極為陰極。

?離子在進行電極反應(yīng)的過程中，電子必須通過外電路。概述94.1化學(xué)電源的基本組成部分及其作用：

–電極：正極：常選用金屬氧化物

負極：常選用較活潑金屬

由活性物質(zhì)和導(dǎo)電材料以及添加劑等組成，其主要作用是參與電極反應(yīng)，導(dǎo)電，決定電池的電性能。原則上正極與負極的電位相差越大越好，參加反應(yīng)的物質(zhì)的電化當量越小越好（用很少的活性物質(zhì)可得到更多的電量）。除考慮電極電位和電化當量外，還需考慮活性物質(zhì)的穩(wěn)定性及材料來源。

–對活性物質(zhì)的要求：電化學(xué)活性高；比容量大；化學(xué)穩(wěn)定性高，在電解液中自溶解??；高電子導(dǎo)電性；資源豐富，價格便宜，無污染。

概述104.1–電解質(zhì)：提供離子，在正極、負極之間發(fā)生傳遞。有的還參與電極反應(yīng)。電解質(zhì)通常是水溶液，也有用有機溶劑、熔融鹽和固體電解質(zhì)。要求高導(dǎo)電率，化學(xué)穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)、易于長期貯存。

–隔膜：防止正極、負極之間的直接接觸而發(fā)生短路。要求較高離子傳輸能力，對電子絕緣，好的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的機械強度，內(nèi)阻小，能阻擋脫落的活性物質(zhì)透過，能耐電解質(zhì)溶液的腐蝕，及電極氧化劑的氧化，來源豐富，價格低廉。例如，石棉紙、微孔橡膠、微孔塑料、尼龍、玻璃纖維。

–外殼:起容器的作用。良好的機械強度，耐震動耐沖擊，環(huán)境適應(yīng)性強，耐電解液腐蝕。

概述114.1化學(xué)電源的分類?按工作性質(zhì)分：

–原電池，又稱一次電池：活性物質(zhì)消耗到一定程度，就不能使用。例如：Zn-MnO2，Zn-HgO，Zn-AgO，鋰電池等。

–蓄電池，又稱二次電池：放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生。例如：Pb-PbO2，Cd-NiOOH，MHNiOOH，F(xiàn)e-NiOOH，Zn-AgO，Zn-O2等。

–貯備電池，又稱激活式電池：正負極活性物質(zhì)在儲備期和電解質(zhì)彼此不直接接觸，或電解質(zhì)處于固態(tài)；能貯存幾年或十幾年，使用時借助動力源或水作用于電解質(zhì)使電池激活。例如：Mg-AgCl，Zn-AgO等。

–燃料電池，又稱連續(xù)電池：一種連續(xù)將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。例如：H2-O2燃料電池等。

概述124.1化學(xué)電源的分類?按電解質(zhì)的性質(zhì)分：

–電解質(zhì)為堿性水溶液—堿性電池（例：Cd-NiOOH）

–電解質(zhì)為中性水溶液—中性電池（例:Zn-MnO2）

–電解質(zhì)為酸性水溶液—酸性電池（例：鉛酸電池）

–電解質(zhì)為有機電解質(zhì)溶液—有機電解質(zhì)電池（例：鋰離子電池）

–電解質(zhì)為固體電解質(zhì)—固體電解質(zhì)電池（例：鋰碘電池）

概述134.1化學(xué)電源的分類?按正負極活性物質(zhì)的材料分：

–Zn-MnO2系列電池

–Zn-AgO系列電池

–Cd-NiOOH電池

–鉛酸電池

–氫鎳電池

–鋰離子電池

–海水電池、溴-鋅蓄電池等等

概述144.1化學(xué)電源的分類?活性物質(zhì)的保存方式分：

–活性物質(zhì)保存在電極上：通常的一次、二次電池

–活性物質(zhì)從外邊連續(xù)供給電極：燃料電池

以上的分類并不是絕對的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有些電池體系往往可以設(shè)計成多種不同的電池。例如：在堿性溶液中，由鋅和空氣構(gòu)成的電池體系。它根據(jù)需要就可以做成：Zn-O2(C)

一次電池、二次電池、貯備電池、燃料電池。

概述154.1化學(xué)電源的主要性能1.電池的電動勢及開路電壓

電池在開路時，即沒有電流通過的情況下，正負極的平衡電位之差，就是該電池的電動勢。它的大小取決于電極的本性及電解質(zhì)的性質(zhì)與活度，而與電池的幾何結(jié)構(gòu)等無關(guān)。

即：

假設(shè)電池的正負極反應(yīng)為：

概述164.1則：

由此可以明確地看出：若正極的電位越正，負極的電位越負，電池的電動勢也就越高。

概述174.1

從元素的標準電位序來看，在元素周期表左上邊的元素（IA,IIA族）具有較負的電位，右上邊的元素（VIA,VIIA族）具有較正的電位。由這些元素組成的電池可以得到較高的電動勢。

其中以Li的電位為最負：

氟的電位最正：若做成鋰氟電池2Li+F2→2LiF,其電動勢可達5.91V。這是化學(xué)電源中電動勢最高的數(shù)值。

概述184.1

應(yīng)當注意的是，在選擇電極活性物質(zhì)時，不能只看平衡電位數(shù)值的高低，還要看：（1）它在介質(zhì)中的穩(wěn)定性（2）材料來源（3）電化當量等多方面的因素例如：Li－F2,若組成電池，它具有很高的電動勢，但由于Li只適用與非水溶劑電解質(zhì)，F(xiàn)2是活性的氣體，不易儲存和控制，因而由單質(zhì)Li與F2組成電池也是不切合實際的。

概述194.1一般的化學(xué)電源都是采用水溶性電解質(zhì)。在電位較負的金屬中，以鋅、鉛、鎘、鐵最為常用。因在相應(yīng)的電解質(zhì)中具有較好的耐腐蝕性。在電位較正的活性物質(zhì)中，常用的有二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳、氧化銀等，它們在水溶液中都很穩(wěn)定，溶解度小，材料來源廣。以上所討論的電動勢是指體系達到熱力學(xué)平衡后的電動勢。但實際上有許多電極體系在水溶液中，即使開路時，也達不到熱力學(xué)上的平衡狀態(tài)。例如：鋅錳干電池，即使在沒有負荷的情況下，在電極與溶液的界面上也可能發(fā)生其它的共軛反應(yīng)。

概述204.1在負極上可能存在的反應(yīng)：

在正極上可能存在的反應(yīng)：

由此可以看出1.2兩式并不能反映電池的真實電動勢大小，但在開路時，電極上建立的仍是穩(wěn)定電位。該電位的數(shù)值往往是不同于平衡電位的，一般都是小于平衡電位。習(xí)慣上把開路時所測得的穩(wěn)定電位的電壓稱為開路電壓。

概述214.12電池的內(nèi)阻：

–電流通過電池內(nèi)部時受到的阻力，也叫全內(nèi)阻。

–包括兩部分:

電池的歐姆內(nèi)阻RΩ和電極的極化所相當?shù)膬?nèi)阻，也叫極化內(nèi)阻Rr。前者由電解質(zhì)、電極材料、隔膜的電阻及各部分零件的接觸電阻組成，后者由極化引起。為了減少極化，可提高電極的活性和增大電極的面積，例如，采用多孔電極。內(nèi)阻和開路電壓E開、工作電壓E工的關(guān)系為:

概述224.13電池的工作電壓及放電曲線

（1）工作電壓：當電池有電流通過時，這時正、負極兩端的電位差，即為工作電壓（放電電壓）。

由于電流通過電池回路時使電極產(chǎn)生電極極化和歐姆極化，這時的工作電壓總是低于電動勢。

影響工作電壓的因素：

1.放電時間一般放電時間長，電壓低

2.放電電流密度一般放電電流密度大，電壓低

3.放電深度一般放電深度深，電壓低

概述234.1（2）放電曲線電池的工作電壓隨時間變化的曲線。電壓下降到不宜繼續(xù)放電的最低工作電壓稱為終止電壓。放電方法主要有：恒流放電和恒阻放電兩種，還分為連續(xù)放電和間歇放電。根據(jù)電池的放電曲線，通?？梢源_定電池的放電性能和電池的容量。通常電池的放電曲線越平坦、穩(wěn)定、電池的性能就越好。注意：放電時間的長短，取決于放電的終止電壓（不宜再繼續(xù)放電的電壓）。通常放電電流大時，終止電壓可低些，放電電流小時，終止電壓可高些。

概述244.14電池的容量：電池的容量是指電池放電時所能給出的電量（AH）。電池的容量通常分為：理論容量、實際容量、額定容量（1）理論容量：理論容量是根據(jù)活性物質(zhì)的重量按法拉第定律計算出的電量。（2）實際容量：實際容量指在一定的放電制度下（一定深度，一定的電流密度和終止電壓），電池所能給出的電量。（3）額定容量：額定容量是指在一定的放電制度下，電池應(yīng)該給出的最低限度的容量。也就是設(shè)計指標。概述254.1–影響容量的因素：

1.活性物質(zhì)的量

2.活性物質(zhì)的利用率

活性物質(zhì)的活性

電池和電極的結(jié)構(gòu)

電解液的量、濃度、質(zhì)量

制造工藝

放電制度（放電電流，放電深度，

放電形式，放電期間電池的溫度）

概述264.15放電時率與放電倍率：

–放電時率

在規(guī)定的放電時間內(nèi)，電池放出全部的額定容量。

–放電倍率

放電電流為額定容量的倍數(shù)。

低倍率放電：I放≤0.2C額

中倍率放電：I放＝(0.2～1)C額

高倍率放電：I放＞1C額

概述274.16能量和比能量：電池在一定的放電制度下，所能給出的能量，通常用瓦·時（WH）表示。電池的能量分類為：（1）理論能量：從熱力學(xué)上看，電池的理論能量等于可逆過程電池所能做的最大有用功：（2）實際能量：1.恒電流放電時：

2.恒電阻放電時：

概述284.1（3）比能量

1.體積比能量：單位體積電池輸出的能量（瓦·時/L）

2.重量比能量：單位重量電池所能輸出的能量（瓦·時/Kg）

又可分為：a.理論重量比能量b.實際重量比能量

A.理論比能量：是指1Kg電池反應(yīng)物質(zhì)反應(yīng)完全后，理論上所能給出的電能。

B.實際比能量：是指1Kg電池反應(yīng)物質(zhì)在實際放電時所能給出的電能。

在評定電池的質(zhì)量或是在開發(fā)新的電源時，對電池的比

能量是常常需要考慮的一個指標。概述294.1表1一些電池的理論比能量和實際比能量概述304.17電池的功率與比功率

在一定的放電制度下，單位時間內(nèi)電池所能給出的能量，稱為電池的功率（W，KW)。單位重量或單位體積電池輸出的功率，稱為電池的比功率（W/Kg，W/L).比功率是電池的重要性能之一。一個電池的比功率越大，表示它可以承受的放電電壓越大，或者說其可以在高倍率下放電。

理論上電池的功率可以用下式表示：P=IE若設(shè)R外為電路的電阻,R內(nèi)表示電池的內(nèi)阻,則上式可寫作：第一項為有用功率P有。第二項的功率則是消耗在電池內(nèi)部的發(fā)熱上，而不能利用。

------功率利用系數(shù)概述314.1比功率和比能量的關(guān)系：

從電池的本身來看，電池的反應(yīng)物活性高，電極中有良好的電解液通道，電池的歐姆內(nèi)阻小，電池的比功率就大，——提高電池的比功率與比能量的途徑相同。

但是電池的比功率和比能量也有一定的矛盾，比功率和比能量都與放電率有關(guān)。

高放電率放電：電池的比功率增大，而比能量下降。低放電率放電：電池的比功率下降，而比能量上升。

(因在小電流放電時，活性物質(zhì)的利用率提高。)

概述324.1幾種物質(zhì)的比能量和比功率的關(guān)系

概述334.18電池的貯存性能和自放電:

–貯存性能

主要針對一次電池，是指電池貯存期間容量的下降率。[貯存時間]

電池的貯存分為干貯存(不帶電液)和濕貯存(帶電液)。

–自放電

電池在貯存一段時間后，容量要發(fā)生自動降低的現(xiàn)象。對于蓄電池，又叫充電保持能力。

發(fā)生自放電的原因：

從熱力學(xué)上看，產(chǎn)生自放電的根本原因是由于電極活性物質(zhì)在電解液中不穩(wěn)定引起的

概述344.1其他原因：

①正負極之間的微短路或正極活性物質(zhì)溶解轉(zhuǎn)移到負極上。

必須采用良好的隔膜來解決。

②電池密封不嚴，進入水分、空氣等物質(zhì)造成自放電

克服自放電的方法：

采用高純的原材料

在負極材料中加入氫過電位高的金屬（Hg，Cd，Pb)

在電極或溶液中加入緩蝕劑來抑制氫的析出

概述354.19蓄電池的循環(huán)壽命:

–循環(huán)壽命(使用周期)

蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)（或稱一個周期）。在一定的放電制度下，當電池的容量降到某一定值之前，電池所能承受多少次充放電，稱為蓄電池的使用周期（或稱循環(huán)壽命）。周期越長，表示電池的性能越好。

不同的電池使用周期是不相同的，例如：一般說來，

Fe－Ni，Cd－Ni電池的使用壽命可達數(shù)千次。鉛蓄電池

約300－500次，Zn－Ag電池約40－100次。

概述364.1–影響電池循環(huán)壽命的因素：

①在充放電時活性表面積不斷減小，使工作電流密度上升，極化增大

②電極上活性物質(zhì)脫落或轉(zhuǎn)移

③電池工作時，電極材料發(fā)生腐蝕

④循環(huán)時電極上產(chǎn)生枝晶，造成電池內(nèi)部短路

⑤隔離物的損壞

⑥在充放電過程中活性物質(zhì)晶形發(fā)生改變，使其活性降低

⑦恰當?shù)氖褂煤途S護

概述374.110蓄電池的充放電特性

蓄電池放電后，用一個直流電源對它充電，此時發(fā)生的電極反應(yīng)恰是放電反應(yīng)的逆反應(yīng)。使電極活性物質(zhì)得到恢復(fù)，電池又可重復(fù)使用，充電過程是一個電解過程。

充電時，直流電源的正極與電池的正極相連，負極與直流電源的負極相連。這時電池的端電壓稱為充電電壓，電池的充電電壓總是高于它的電動勢。

r為電極的等效極化電阻

R為R+、R-、RL的歐姆電阻之和

概述384.1原電池的等效電路：

蓄電池的充電方法有恒流法和恒壓法，通常使用的是恒電流法。

隨著充電的進行，活性物質(zhì)不斷被恢復(fù)（負極活性物質(zhì)還原，正極活性物質(zhì)氧化），電極反應(yīng)存積不斷縮小，充電電流密度不斷增大，使電極的極化不斷增大。充電電壓不斷增大。

充電電壓隨時間的變化曲線---充電曲線

概述394.1充電時常為兩個階段，前期以正常的電流充電，后期由于不斷發(fā)生水的電解，而析出H2，O2，故此時的充電電流宜減小一倍，以免過多的電量消耗于水的電解。

圖5.鉛酸蓄電池的充放電曲線

鋰離子二次電池404.24.2.1電化學(xué)原理?鋰離子電池的定義

–指以兩種不同的能夠可逆地插入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物分別作為電池正極和負極的二次電池體系。

?鋰離子電池的應(yīng)用范圍

–小型電池：手機電池、筆記本電腦電池等

–大型電池：電動自行車、電動摩托車、混合動力汽車、電動汽車等

–其它：人造衛(wèi)星、航空航天和儲能方面

鋰離子二次電池414.2?鋰離子電池工作原理（以LiCoO2正極材料為例）

4.2.1電化學(xué)原理鋰離子二次電池424.2石墨晶體和LiCoO2都具有層狀結(jié)構(gòu)。這種層狀結(jié)構(gòu)化合物，允許鋰離子進出，而材料結(jié)構(gòu)不會發(fā)生不可逆變化。LiCoO2為一層氧(O)原子緊鄰一層Li(鋰)原子，再緊鄰一層氧原子和鈷(Co)原子，即O—Li—O—Co—O—Li—O?。

4.2.1電化學(xué)原理CathodeAnodeSeparatorGraphite(LiC6)LiCoO2CathodeAnodeChargee-e-e-e-e-Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+LiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiCathodeAnodeDischargee-e-LiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLie-e-e-Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Li+QLiC6=372mAhg-1CathodeAnodeQLiCoO2=137mAhg-1鋰離子二次電池474.2–嵌入化合物的晶體密度低，具有層狀結(jié)構(gòu)或隧道結(jié)構(gòu)，在這些開放性結(jié)構(gòu)中，鋰離子“進出”自由。隨鋰離子嵌入和脫嵌，晶體僅發(fā)生相應(yīng)的膨脹和收縮，而結(jié)構(gòu)類型基本不變。

充電時，鋰離子從正極脫嵌，在電解液中向負極遷移，嵌入到負極石墨晶體的晶狀層之間。

放電時，鋰離子從負極脫嵌向正極表面移動，然后插入到氧化鈷鋰的晶狀層中。

電池在充放電過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)實際上是一種插層反應(yīng)。

4.2.1電化學(xué)原理鋰離子二次電池484.24.2.1電化學(xué)原理插層反應(yīng)：

鋰離子在晶體內(nèi)的層間、間隙或隧道中擴散時，并不產(chǎn)生鍵的斷裂和電極材料結(jié)構(gòu)的重建。擴散所需要的能量很小，故鋰離子在兩個電極中的插層反應(yīng)很容易進行。

充電時,Li+從正極脫出,嵌入負極；放電時Li+則從負極脫出,嵌入正極。這種充放電過程,恰似一把搖椅。因此,這種電池又稱為搖椅電池(RockingChairBatteries)。

鋰離子二次電池494.24.2.1電化學(xué)原理?鋰離子電池的優(yōu)點

1、工作電壓高。通常單體鋰離子電池的電壓為3.6V,為鎘鎳和鎳氫電池的3倍。

2、體積小、重量輕、比能量高。通常其比能量可達鎘鎳電池的2倍以上，與同容量鎳氫電池相比,體積可減小30%，重量可降低50%，利于便攜式電子設(shè)備小型輕量化。

3、安全快速充電。采用1C充電速率，可在2h內(nèi)充足電，而且安全性能大大提高。

4、壽命長。鋰離子電池采用碳負極，在充放電過程中，碳負極不會生成枝晶，從而可避免電池因內(nèi)部枝晶短路而損壞。電極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。循環(huán)壽命可達1200次以上。

5、工作溫度范圍寬?？稍?20℃～60℃之間工作，高溫放電性能優(yōu)于其它各類電池。

此外，鋰離子電池還具有自放電小、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)點，綜合性能優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰電池。

鋰離子二次電池504.24.2.1電化學(xué)原理?鋰離子電池的缺點1、內(nèi)電阻高。電解液為有機溶液，其電導(dǎo)率比鎘鎳、鎳氫電池電解液小得多，內(nèi)電阻約大10倍.

2、工作電壓變化較大。放電到額定容量的80%時，鎘鎳電池的電壓變化約20%，鋰離子電池的電壓變化約40%。

3、放電速率較大時，容量下降較大。放電速率為0.15C時，鋰離子電池和鎘鎳電池容量衰減相當，高速率(>1C)放電時，鋰離子電池的容量嚴重減少。

鋰離子二次電池514.24.2.2鋰離子電池的組成和結(jié)構(gòu)1、正極材料

正極活性物質(zhì)：鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等。

2、負極材料

負極活性物質(zhì)：主要是石墨，還有硬炭、軟炭。主要用經(jīng)過專門加工的人工石墨。

鋰離子二次電池524.23、電解液

一般使用環(huán)狀碳酸酯（碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯）和鏈狀碳酸酯（碳酸二甲酯）做混合溶劑，把電解質(zhì)鹽溶解其中制成電解液。

電解質(zhì)鹽有無機鹽和有機鹽，無機鹽有高氯酸鋰、和六氟磷酸鋰等。有機鹽有三氟甲基磺酸鋰等。其中六氟磷酸鋰最為常用。4、粘合劑

用于把正、負極活性物質(zhì)涂于作為集流體的金屬箔上。要求粘接好、柔軟、耐電解液腐蝕、耐氧化還原、成膜均勻的粘合劑。常用高分子粘合劑，如聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等。

5、隔膜

為防止正負極短路，與其他電池使用紙或無紡布不同，鋰離子電池使用聚乙烯系多微孔薄膜，有利于鋰離子快速通過。

4.2.2鋰離子電池的組成和結(jié)構(gòu)鋰離子二次電池534.24.2.3鋰離子電池材料正極材料

要求：具有層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu)，以利于鋰離子的嵌入和脫出，該晶體結(jié)構(gòu)牢固，在充放電電壓范圍內(nèi)的穩(wěn)定性好，使電極具有良好的充放可逆性，以保證鋰離子電池長循環(huán)壽命;充放電過程中，應(yīng)有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出，使電極具有較高的電化學(xué)容量;

在鋰離子進行脫嵌時，電極反應(yīng)的自由能變化應(yīng)較小，使電池有較平穩(wěn)的充放電電壓，以利于鋰離子電池的廣泛應(yīng)用;鋰離子應(yīng)有較大的擴散系數(shù)，以減少極化造成的能量損耗，保證電池有較好的快速充放電性能;有較高的電導(dǎo)率，能使電池大電流的充電和放電；

鋰離子二次電池544.24.2.3鋰離子電池材料正極材料

要求：有較高的電導(dǎo)率，能使電池大電流的充電和放電；有較高的氧化還原電位，從而使電池具有較高的輸出電壓;分子量小，提高質(zhì)量比能量；摩爾體積小，提高體積比能量；正極材料不與電解質(zhì)等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定;價格便宜，對環(huán)境無污染。

鋰離子二次電池554.24.2.3鋰離子電池材料LiCoO2正極材料

–二維層狀結(jié)構(gòu)

–電導(dǎo)率高，Li+擴散系數(shù)10-9～10-7cm/s

–充電上限電壓4.3V，高于此電壓基本結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變

–制備方法（高溫固相合成法）

鋰離子二次電池564.24.2.3鋰離子電池材料LiCoO2正極材料

LiCoO2正極材料的優(yōu)點：比能量高，工作電壓較高（平均工作電壓為3.7V），充放電電壓平穩(wěn)，適合大電流充放電，生產(chǎn)工藝簡單、容易制備。LiCoO2正極材料的缺點：價格昂貴，抗過充電性較差，循環(huán)性能有待進一步提高

鋰離子二次電池574.24.2.3鋰離子電池材料LiNiO2正極材料

–層狀結(jié)構(gòu)

–制備方法（高溫固相合成法）

–改性主要有摻雜和包覆處理,較為成功的是Co的摻雜

鋰離子二次電池584.24.2.3鋰離子電池材料LiNiO2正極材料

LiNiO2正極材料的優(yōu)點：自放電率低，無污染，與多種電解質(zhì)有著良好的相容性，比LiCoO2價格便宜。

LiNiO2正極材料的缺點：

1、制備條件非常苛刻，易發(fā)生鋰鎳混排現(xiàn)象，這給LiNiO2的商業(yè)化生產(chǎn)帶來相當大的困難；

2、LiNiO2的熱穩(wěn)定性差，在同等條件下與LiCoO2和LiMn2O4正極材料相比，LiNiO2的熱分解溫度最低（200℃左右），而且放熱量最多，這對電池帶來很大的安全隱患；

3、LiNiO2在充放電過程中容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，使電池的循環(huán)性能變差。

鋰離子二次電池594.24.2.3鋰離子電池材料鋰錳氧化物正極材料Mn資源非常豐富、無毒、價廉；鋰錳氧化物是最有希望取代鋰鈷氧化物的正極活性物質(zhì)

（1）尖晶石型LixMn2O4

–立方結(jié)構(gòu)（三維隧道結(jié)構(gòu)）

–當1<x≤2時，Mn離子主要以＋3價存在，將導(dǎo)致嚴重的Jahn-Teller效應(yīng)

–在電解液中會逐漸溶解，發(fā)生Mn3+歧化反應(yīng)；電解液在高壓充電時不穩(wěn)定，即Mn4+具有高氧化性

鋰離子二次電池604.24.2.3鋰離子電池材料尖晶石型LixMn2O4的優(yōu)點：錳資源豐富、價格便宜，污染小，比較容易制備。尖晶石型LixMn2O4的缺點：

1、理論容量不高；

2、材料在電解質(zhì)中會緩慢溶解，即與電解質(zhì)的相容性不太好；

3、在深度充放電的過程中，材料容易發(fā)生晶格畸變，造成電池容量迅速衰減，特別是在較高溫度下使用時更是如此。

鋰離子二次電池614.24.2.3鋰離子電池材料（2）層狀LiMnO2

–在3.5-4.5V范圍內(nèi)，LiMnO2脫鋰容量高，可達200mAh/g，但脫鋰后結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，慢慢向尖晶石型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變

–晶體結(jié)構(gòu)的反復(fù)變化導(dǎo)致體積的反復(fù)膨脹和收縮，循環(huán)性能不好

–較高溫度下也會發(fā)生Mn的溶解而導(dǎo)致電化學(xué)性能劣化，需對LiMnO2進行摻雜和表面修飾

與尖晶石LiMn2O4相比：層狀LiMnO2理論容量和實際容量都有較大幅度提高，但仍然存在以下缺點：

1、LiMnO2存在較高工作溫度下的溶解問題。

2、充放電過程中結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題。在充放電過程中晶體結(jié)構(gòu)在層狀結(jié)構(gòu)與尖晶石結(jié)構(gòu)之間反復(fù)變化，從而引起電極體積的反復(fù)膨脹和收縮，導(dǎo)致電池循環(huán)性能變壞；

鋰離子二次電池624.24.2.3鋰離子電池材料嵌鋰磷酸鹽正極材料–LiMPO4（M=Mn、Fe、Co、Ni）正極材料中，以

LiFePO4的研究最為突出

–LiFePO4工作電壓3.4V左右

–與LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiMnO2等正極材料相比，LiFePO4具有高穩(wěn)定性、更安全可靠、更環(huán)保并且價格低廉

–理論容量為170mAh/g，在沒有摻雜改性時其實際容量已達110mAh/g。通過對LiFePO4進行表面修飾，其實際容量可高達165mAh/g，非常接近其理論容量。3C大電流下放電比容量大于130mAh/g

–影響材料的最主要因素是理論容量不高和LiFePO4室溫下的低電導(dǎo)率

鋰離子二次電池634.24.2.3鋰離子電池材料鋰離子電池正極材料的發(fā)展鋰離子二次電池644.24.2.3鋰離子電池材料鋰離子電池正極材料的發(fā)展鋰離子二次電池654.24.2.3鋰離子電池材料鋰離子電池正極材料的發(fā)展進一步發(fā)展三元正極材料Li(NixCoyMnz)O2

目前商業(yè)化的三元材料：

Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2

Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2

Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2

鋰離子二次電池664.24.2.3鋰離子電池材料鋰離子電池正極材料的發(fā)展層狀結(jié)構(gòu)的LiMnO2是極具市場競爭力的正極材料。橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4是大型鋰離子電池中極有希望的正極材料。用Co部分取代Ni獲得安全性較高的二元正極材料LiNi1-xCoxO2，是一個重要的發(fā)展方向。發(fā)展層狀鎳錳二元材料LiNi0.5Mn0.5O2和5V尖晶石結(jié)構(gòu)鎳錳二元材料LiNi0.5Mn1.5O4

鋰離子二次電池674.24.2.3鋰離子電池材料各種鋰離子電池正極材料性能比較鋰離子二次電池684.24.2.3鋰離子電池材料負極材料

?要求:

1.在鋰離子的脫嵌過程中自由能變化小;

2.鋰離子在負極的固態(tài)結(jié)構(gòu)中有高的擴散率;

3.可逆性高;

4.有良好的電導(dǎo)率;

5.熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,同時與電解質(zhì)不發(fā)生反應(yīng)

鋰離子二次電池694.24.2.3鋰離子電池材料負極材料

不同負極材料的能量密度鋰離子二次電池704.24.2.3鋰離子電池材料?碳負極材料

（1）石墨類碳負極材料導(dǎo)電性好，結(jié)晶度較高，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，適合鋰的嵌入脫嵌充放電比容量可達300mAh/g以上，充放電效率在90％以上，不可逆容量低于50mAh/g鋰在石墨中脫嵌反應(yīng)發(fā)生在0～0.25V左右(Vs．Li+/Li)，具有良好的充放電電位平臺鋰離子二次電池714.24.2.3鋰離子電池材料人造石墨人造石墨是將易石墨化炭(如瀝青焦炭)在N2氣氛中于1900～2800℃經(jīng)高溫石墨化處理制得。常見人造石墨有中間相碳微球(MCMB)、石墨化碳纖維。MCMB的優(yōu)點：球狀顆粒，便于緊密堆積可制成高密度電極光滑的表面，低比表面積，可逆容量高球形片層結(jié)構(gòu)，便于鋰離子在球的各個方向遷出，大倍率充放電鋰離子二次電池724.24.2.3鋰離子電池材料石墨化碳纖維表面和電解液之間的浸潤性能非常好。由于嵌鋰過程主要發(fā)生在石墨的端面，從而具有徑向結(jié)構(gòu)的炭纖維極有利于鋰離子快速擴散，因而具有優(yōu)良的大電流充放電性能。放電容量大，優(yōu)化時可逆容量達315mAh/g，不可逆容量僅為10mAh/g，首次的充放電效率達97%。鋰離子二次電池734.24.2.3鋰離子電池材料天然石墨無定形石墨形石墨純度低，石墨晶面間距(d002)為0.336nm。主要為2H晶面排序結(jié)構(gòu)，即按ABAB順序排列，可逆比容量僅260mAh/g，不可逆比容量在100mAh/g以上。鱗片石墨晶面間距(d002)為0．335nm，主要為2H+3R晶面排序結(jié)構(gòu)，即石墨層按ABAB及ABCABC兩種順序排列。含碳99％以上的鱗片石墨，可逆容量可達300～350mAh/g

鋰離子二次電池744.24.2.3鋰離子電池材料鱗片石墨片層結(jié)構(gòu)的SEM照片鋰離子二次電池754.24.2.3鋰離子電池材料天然石墨的球形化

克服天然石墨缺陷提高天然石墨的振實密度鋰離子二次電池764.24.2.3鋰離子電池材料天然石墨改性

天然石墨不能直接用于鋰離子電池負極材料，最主要的原因是在充電過程中，會發(fā)生溶劑分子隨鋰離子共嵌入石墨片層而引起石墨層“剝落”的現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)的破壞從而導(dǎo)致電極循環(huán)性能迅速變壞。當前對天然石墨的改性處理的研究很多，有機械研磨、氧化處理、表面包覆、摻雜等。鋰離子二次電池774.24.2.3鋰離子電池材料機械研磨：研磨能獲得一定含量的菱形石墨相，菱形石墨相的存在對石墨表面SEI膜生成更有利，而且能提升材料的比容量及循環(huán)性能。氧化處理：通過用氣相和液相氧化的方法對天然石墨進行了氧化處理。溫和的氧化處理可以除去石墨顆粒表面一些活性或有缺陷的結(jié)構(gòu)，從而減少了首次循環(huán)中的不可逆容量、提高了充、放電效率。同時還增加了其中的納米級孔道，不僅增加的鋰離子的進出通道，而且更多的鋰離子可以儲存在內(nèi)，從而增加了可逆容量。此外還形成了與石墨顆粒表面緊密結(jié)合的、由羧基／酚基、醚基和羰基等組成的氧化物致密層，這種表面層起到了鈍化膜的作用，防止了溶劑分子的共嵌，從而避免了石墨中的層離和其沿a軸方向的移動，循環(huán)性能得到了改善。鋰離子二次電池784.24.2.3鋰離子電池材料炭包覆：為了改善天然石墨的循環(huán)性能和提高其充、放電倍率，設(shè)法在天然石墨顆粒表面包覆上一層熱解炭，形成了以石墨為核心的“核--殼”式結(jié)構(gòu)。目的是減緩炭電極表面的不均勻反應(yīng)性質(zhì)，以使得在炭電極表面生成SEI膜的溶劑或電解質(zhì)鹽的還原分解反應(yīng)能夠均勻進行，從而在炭材料電極表面能夠形成一層均勻、簿而致密、不易脫落的SEI。包覆的方法有氣相沉積、固相混合、液相浸漬等。摻雜：適當?shù)囊虢饘倩蚍墙饘僭啬芴岣卟牧系碾娀瘜W(xué)性能。非金屬元素有：硼、氮、硅、磷、硫等。金屬元素有：鉀、鎂、鋁、鎳、鈷、鐵等。鋰離子二次電池794.24.2.3鋰離子電池材料沒有明顯的(d002)面衍射峰，均為無定形結(jié)構(gòu)，由石墨微晶和無定形區(qū)組成無定形區(qū)中存在大量的微孔結(jié)構(gòu),微孔可作為可逆貯鋰的“倉庫”，可逆容量在合適的熱處理條件下，均大于372mAh/g，有的甚至超過1000mAh/g可以細分為軟碳和硬碳?碳負極材料（2）非石墨類碳負極材料鋰離子二次電池804.24.2.3鋰離子電池材料軟碳

軟碳即易石墨化碳，是指在2000℃以上的高溫下能石墨化的無定形碳結(jié)晶度(即石墨化度)低，晶粒尺寸小，晶面間距(d002)較大，與電解液的相容性好首次充放電的不可逆容量較高，輸出電壓較低，無明顯的充放電平臺電位常見的軟碳有石油焦、針狀焦等鋰離子二次電池814.24.2.3鋰離子電池材料一般不直接用作負極材料，是制造人造石墨的原料，或者作為包覆材料改行天然石墨、合金等負極材料。鋰離子二次電池824.24.2.3鋰離子電池材料硬碳難石墨化碳，是高分子聚合物的熱解碳，這類碳在3000℃的高溫也難以石墨化硬碳有樹脂碳(如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚糠醇等)、有機聚合物熱解碳(PVA，PVC，PVDF，PAN等)、碳黑(乙炔黑)聚糠醇樹脂碳已經(jīng)被日本Sony公司已用作鋰離子電池負極材料，比容量可達400mAh/g，其晶面間距(d002)適當，有利于鋰的嵌入而不會引起結(jié)構(gòu)顯著膨脹，具有很好的充放電循環(huán)性能鋰離子二次電池834.24.2.3鋰離子電池材料硬碳的SEM照片鋰離子二次電池844.24.2.3鋰離子電池材料鋰嵌入無定形碳材料中，首先嵌入到石墨微晶中，然后進入石墨微晶的微孔中。在嵌脫過程中，鋰先從石墨微晶中發(fā)生嵌脫，然后才是微孔中的鋰通過石墨微晶發(fā)生嵌脫，因此鋰在發(fā)生嵌脫的過程中存在電壓滯后現(xiàn)象。沒有經(jīng)過高溫處理，碳材料中殘留有缺陷結(jié)構(gòu)，鋰嵌入時與這些結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致首次充放電效率低此外，缺陷結(jié)構(gòu)在循環(huán)時不穩(wěn)定，容量隨循環(huán)的進行而衰減?碳負極材料（2）非石墨類碳負極材料鋰離子二次電池854.24.2.3鋰離子電池材料?非碳負極材料（1）合金負極材料硅基合金負極材料xLi+Si=LixSiLi12Si17、Li13Si14、Li7Si3、Li22Si5等，其中Si完全嵌入鋰時形成的合金Li4.4Si，其理論容量達4200mAh/g

缺點：體積變化大，造成合金的粉化，容量急劇下降

改性方法：引入非活性金屬，如鎳、鎂、銀等或者將Si納米化鋰離子二次電池864.24.2.3鋰離子電池材料錫基合金負極材料錫與鋰可以形成Li22Sn4的合金，理論容量994mAh/g

xLi+MNy=LixMNy

這種貯鋰方式受空間間隙位置的限制，所以貯鋰容量有限；對材料的結(jié)構(gòu)和體積沒有造成明顯變化，所以循環(huán)性能好，如Cu6Sn5在嵌鋰的第1步形成與Li2CuSn相關(guān)的相xLi+MNy=LixM+yN貯鋰相在非常小的尺寸范圍內(nèi)，均勻分散于非活性基體內(nèi)的結(jié)構(gòu)，如Sn2Fe等(x+y)Li+MNz=yLi+LixM+zN=LixM+zLiy/zN這種反應(yīng)方式獲得了兩個嵌鋰相相互很好地擴散的結(jié)構(gòu)，如SnSb等鋰離子二次電池874.24.2.3鋰離子電池材料?非碳負極材料（1）合金負極材料鋰合金作為負極材料，具有能量密度高的優(yōu)點，但循環(huán)穩(wěn)定性差。第一種方案，通常納米化合金材料，如采用納米Si粉，或者Si納米薄膜。第二種方案，引入非活性成分，不與Li形成合金的金屬，降低活性成分，減小材料的膨脹。第三種方案，采用其氧化物。鋰離子二次電池884.24.2.3鋰離子電池材料?非碳負極材料（2）氧化物負極材料硅、錫的氧化物由于硅和錫不可逆容量高，循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，一些研究者把眼光放到了它們的氧化物上。例如錫的氧化物：SnO2,SnO等，硅的氧化物SiO0.8、SiO、SiO1.1等，或者兩者的復(fù)合氧化物。氧化物的反應(yīng)機理可以認為是：第1步為取代反應(yīng)：Li+MO2/MO—一Li+M第2步為合金化反應(yīng)：Li+M—LizM(0<z<4.4)YoshioIdota等合成錫基非晶氧化物SnMxOy，M為B、P、Al的復(fù)合物。如：Sn1.0B0.56P0.40Al0.42O3.6（TCO）。1mol的TCO可以接受8mol的Li+，比能量密度大于600mAh/g。鋰離子二次電池894.24.2.3鋰離子電池材料尖晶石鈦酸鋰（Li4Ti5O12）(1)在鋰離子嵌入一脫出的過程中晶體結(jié)構(gòu)能夠保持高度的穩(wěn)定性，具有優(yōu)良的循環(huán)性能和平穩(wěn)的放電電壓。(2)具有較高的電極電壓，從而避免了電解液分解現(xiàn)象。(3)理論比容量為175mAh/g，實際比容量可達165mAh/g，并集中在平臺區(qū)域。(4)可以在較大倍率下充放電。(5)制備Li4Ti5O12的原料來源比較豐富。鋰離子二次電池904.24.2.3鋰離子電池材料鈦酸鋰的制備方法固相反應(yīng)法在固相反應(yīng)中，反應(yīng)溫度、反應(yīng)時問以及混合方式均是影響Li4Ti50l2材料性能的關(guān)鍵參數(shù)。溶膠凝膠法溶膠凝膠法合成Li4Ti5012一般將鈦酸丁酯和乙醇溶液按一定比例混合，再向其中加入一定量的乙酸鋰(一般Li：TiO2=4：5)、乙醇、去離子水等合成步驟見下圖鋰離子二次電池914.24.2.3鋰離子電池材料?含碳化合物負極材料含碳化合物負極材料有B-C-N、C-Si-O等。B-C-N系化合物通常是由炭素材料的先驅(qū)體與非金屬元素B，N或其化合物經(jīng)氣相反應(yīng)或固相反應(yīng)而合成，其結(jié)構(gòu)類似于石墨層狀結(jié)構(gòu)，故通常稱為B-C-N系類石墨材料。B-C-N系化合物和C-Si-O系化合物有較高的比容量，但其放電曲線為一“斜坡”，不象石墨材料那樣在低電位處有一個電位平臺。鋰離子二次電池924.24.2.3鋰離子電池材料負極材料未來走向鋰離子電池負極材料未來將向著高容量、高能量密度、高倍率性能、高循環(huán)性能等方面發(fā)展。鋰離子電池負極材料基本上都是石墨類碳負極材料，對石墨類碳負極材料進行表面包覆改性，增加與電解液的相容性、減少不可逆容量、增加倍率性能還是目前應(yīng)用研究的一個熱點。氧化物負極材料鈦酸鋰，對其進行摻雜，提高電子、離子傳導(dǎo)性是目前應(yīng)用研究的一個熱點。非石墨類碳材料和合金和其它氧化物負極材料，雖然容量很高，但是循環(huán)穩(wěn)定性問題一直未能解決，對其的改性研究仍在探索中，得到大規(guī)模的實際應(yīng)用尚需時日。鋰離子二次電池934.24.2.3鋰離子電池材料隔膜材料

?要求:

①具有電子絕緣性，保證正負極的機械隔離。②有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導(dǎo)率，對鋰離子有很好的透過性。③由于電解質(zhì)的溶劑為強極性的有機化合物，隔膜必須耐電解液腐蝕，有足夠的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性。④對電解液的浸潤性好并具有足夠的吸液保濕能力。⑤具有足夠的力學(xué)性能，包括穿刺強度、拉伸強度等，但厚度盡可能小。⑥空間穩(wěn)定性和平整性好。⑦熱穩(wěn)定性和自動關(guān)斷保護性能好。動力電池對隔膜的要求更高，通常采用復(fù)合膜。鋰離子二次電池944.24.2.3鋰離子電池材料隔膜材料

市場化的隔膜材料主要是以聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypro-pylene，PP）為主的聚烯烴（polyolefin）類隔膜，其中PE產(chǎn)品主要由濕法工藝制得，PP產(chǎn)品主要由干法工藝制得。至于PE和PP這兩種材料的特性，總體而言：①PP相對更耐高溫，PE相對耐低溫；②PP密度比PE小；③QPP熔點和閉孔溫度比PE高；④PP制品比PE脆；⑤PE對環(huán)境應(yīng)力更敏感。鋰離子二次電池954.24.2.3鋰離子電池材料集流體及粘結(jié)劑材料?要求:電導(dǎo)率高；化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn)定性好；機械強度高；與電極活性物質(zhì)的兼容性和結(jié)合力好；廉價易得；質(zhì)量輕。實際應(yīng)用過程中，不同的集流體材料仍存在問題。如銅在較高電位時易被氧化，適合用作負極集流體；而鋁作為負極集流體時腐蝕問題則較為嚴重，適合用作正極的集流體。目前可用作鋰離子電池集流體的材料有銅、鋁、鎳和不銹鋼等金屬導(dǎo)體材料，碳等半導(dǎo)體材料以及復(fù)合材料。固態(tài)鋰電池964.3全固態(tài)鋰電池的定義全固態(tài)鋰電池是相對液態(tài)鋰電池而言，是指結(jié)構(gòu)中不含液體，所有材料都以固態(tài)形式存在的儲能器件。傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池與全固態(tài)鋰離子電池示意圖固態(tài)鋰電池974.3全固態(tài)鋰電池優(yōu)于液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的性能安全性能高很多無機固體電解質(zhì)材料不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液問題，也有望克服鋰枝晶現(xiàn)象。聚合物固體電解質(zhì)仍然存在一定的可燃燒風(fēng)險，但也比液態(tài)電解液電池安全性能高。能量密度高市場中應(yīng)用的鋰離子電池電芯能量密度最高達到260W·h/kg左右。對全固態(tài)鋰電池來說，如果負極采用金屬鋰，電池能量密度有望達到300~400W·h/kg，甚至更高。循環(huán)壽命長固體電解質(zhì)有望避免液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中持續(xù)形成和生長固體電解質(zhì)界面膜的問題和鋰枝晶刺穿隔膜問題，有可能大大提升金屬鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。固態(tài)鋰電池984.3全固態(tài)鋰電池優(yōu)于液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的性能工作溫度范圍寬全固態(tài)鋰電池如果全部采用無機固體電解質(zhì)，最高操作溫度有望提高到300℃甚至更高，目前，大容量全固態(tài)鋰電池的低溫性能有待提高。電化學(xué)窗口寬全固態(tài)鋰電池的電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬，有可能達到5V，適應(yīng)于高電壓型電極材料，有利于進一步提高能量密度。具備柔性優(yōu)勢全固態(tài)鋰電池可以制備成薄膜電池和柔性電池，未來可應(yīng)用于智能穿戴和可植入式醫(yī)療設(shè)備等。相對于柔性液態(tài)電解質(zhì)鋰電池，封裝更為容易、安全?；厥辗奖闳虘B(tài)鋰電池的優(yōu)勢就在于，其本身里面沒有液體，所以從理論上來說應(yīng)該沒有廢液，處理起來相對來說比較簡單。固態(tài)鋰電池994.3全固態(tài)鋰電池的特點固態(tài)鋰電池1004.3全固態(tài)鋰電池的缺陷及解決方案固態(tài)鋰電池1014.34.3.1固態(tài)電解質(zhì)(1)聚合物電解質(zhì)（SPE）聚合物電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率較低，一般需要在高于其融化溫度以上的溫度下工作，但溫度升高后機械強度又下來了。聚合物電解質(zhì)中急需解決的問題是高離子電導(dǎo)率和高機械強度之間的矛盾。

KANG等將具有氰乙基側(cè)鏈的聚乙烯醇與丁二腈原位聚合在聚丙烯腈纖維膜上，得到電導(dǎo)率（0.3S/cm）和機械強度（15.31MPa）均較高的聚合物電解質(zhì)（SEN）。固態(tài)鋰電池1024.34.3.1固態(tài)電解質(zhì)(1)聚合物電解質(zhì)（SPE）原位聚合法制備SEN的示意圖固態(tài)鋰電池1034.34.3.1固態(tài)電解質(zhì)無機固態(tài)電解質(zhì)發(fā)揮自己單一離子傳導(dǎo)和高穩(wěn)定性的優(yōu)勢，用于全固態(tài)鋰離子電池中，同時有望應(yīng)用在鋰-硫電池、鋰-空氣電池等新型鋰離子電池上，是未來電解質(zhì)發(fā)展的主要方向。優(yōu)點：具有熱穩(wěn)定性高、不易燃燒爆炸、環(huán)境友好、循環(huán)穩(wěn)定性高、抗沖擊能力強。分類：按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)進行劃分，無機固態(tài)電解質(zhì)可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)（玻璃態(tài)）兩大類，每一類按照元素組成的不同又可分為氧化物和硫化物。（2）無機固態(tài)電解質(zhì)固態(tài)鋰電池1044.34.3.1固態(tài)電解質(zhì)（2）無機固態(tài)電解質(zhì)幾種氧化物固態(tài)電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)固態(tài)鋰電池1054.34.3.1固態(tài)電解質(zhì)（3）非晶態(tài)無機固體電解質(zhì)優(yōu)點：組分變化寬、離子傳導(dǎo)各向同性、界面阻抗相對較低、易于加工成膜等優(yōu)點，在全固態(tài)電池中具有很好的應(yīng)用前景。分類：按照組成可分為氧化物體系玻璃電解質(zhì)和硫化物體系玻璃電解質(zhì)，其中氧化物玻璃電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定好，但是離子電導(dǎo)率比較低，硫化物玻璃電解質(zhì)雖然具有較高的離子電導(dǎo)率，但是電化學(xué)穩(wěn)定性差，制備困難。固態(tài)鋰電池1064.34.3.1固態(tài)電解質(zhì)玻璃陶瓷即玻璃微品，是在玻璃材料中加入成核劑后經(jīng)過高溫處理制備面成的，它和陶瓷材料及玻璃材料都不相同。優(yōu)點：玻璃胸瓷中，品相從玻璃網(wǎng)絡(luò)中析出，導(dǎo)致電導(dǎo)率顯著提高，玻璃陶瓷不僅具備陶瓷材料的化學(xué)穩(wěn)定性的特點，而且繼承了玻璃態(tài)固體電解質(zhì)離子電導(dǎo)率高、界面阻抗小、致密度高的特點。（4）玻璃陶瓷無機電解質(zhì)固態(tài)鋰電池1074.34.3.1固態(tài)電解質(zhì)（5）陶瓷固體電解質(zhì)陶瓷固體電解質(zhì)種類繁多，從結(jié)構(gòu)上看，主要包括NASICON結(jié)構(gòu)鋰陶瓷電解質(zhì)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鋰陶瓷電解質(zhì)、石榴石結(jié)構(gòu)鋰陶瓷電解質(zhì)、LISICON型鋰陶瓷電解質(zhì)、Thio-LISICON型結(jié)構(gòu)鋰陶瓷電解質(zhì)、Li3N型結(jié)構(gòu)鋰陶瓷電解質(zhì)、鋰化BPO4，鋰陶瓷電解質(zhì)和以Li4SiO4為母體的鋰陶瓷電解質(zhì)等。陶瓷電解質(zhì)的電導(dǎo)率與其晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，影響因素包括傳輸通道、與Li+半徑的匹配性、骨架離子與Li+鍵合強弱、Li+濃度和空位濃度之比，以及陶瓷的致密度等。固態(tài)鋰電池1084.34.3.1固態(tài)電解質(zhì)代表性固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率（如無特殊指出均為室溫值）固態(tài)鋰電池1094.34.3.2固態(tài)鋰電池的研究現(xiàn)狀全固態(tài)鋰電池國際申請專利的技術(shù)領(lǐng)域分布固態(tài)鋰電池1104.3世界范圍內(nèi)部分全固態(tài)鋰二次電池研究機構(gòu)及企業(yè)分布4.3.2固態(tài)鋰電池的研究現(xiàn)狀電化學(xué)超級電容器1114.4電化學(xué)超級電容器1124.44.4.1超級電容器的原理超級電容（supercapacitor），又叫雙電層電容(ElectricalDoule-LayerCapacitor)、黃金電容、法拉電容，即通過外加電場極化電解質(zhì)，使電解質(zhì)中荷電離子分別在帶有相反電荷的電極表面形成雙電層，從而實現(xiàn)儲能。其儲能過程是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)，且過程完全可逆，這與蓄電池電化學(xué)儲能過程不同。超級電容器是介于電容器和電池之間的儲能器件，它既具有電容器可以快速充放電的特點，又具有電池的儲能特性。

電化學(xué)超級電容器1134.44.4.2超級電容器的特點優(yōu)點：在很小的體積下達到法拉級的電容量；無須特別的充電電路和控制放電電路；與電池相比過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負面影響；從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；超級電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題缺點：如果使用不當會造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路電化學(xué)超級電容器1144.44.4.3超級電容器的應(yīng)用領(lǐng)域無線通訊----GSM手機通訊時脈沖電源；雙向?qū)ず簦?/p>

其它數(shù)據(jù)通訊設(shè)備移動電腦----手提數(shù)據(jù)終端；PDA；其它使用微處

理器的手提設(shè)備工業(yè)/汽車----智能水表、電表；遠程載波抄表；

無線報警系統(tǒng)；電磁閥；電子門鎖；脈沖電源；

UPS；電動工具；汽車輔助系統(tǒng)；汽車啟動設(shè)備消費電子----音響、視頻和其它電子產(chǎn)品斷電時

須用記憶保持電路的產(chǎn)品；電子玩具；無線電話；

電熱水瓶；照相機閃光燈系統(tǒng)；助聽器金屬-空氣電池1154.5金屬空氣電池是一類特殊的燃料電池，也是新一代綠色二次電池的代表之一，被稱為是‘面向21世紀的綠色能源’。按照負極使用的金屬來分，常見的且實用的有如下幾種：鋅空氣電池、鋁空氣電池、鐵空氣電池、鎂空氣電池、鋰空氣電池。主要組成為正極（空氣電極）、負極（金屬電極）。金屬-空氣電池1164.5金屬空氣電池發(fā)揮了燃料電池的眾多優(yōu)點，將鋅、鋁等金屬像氫氣一樣提供到電池中的反應(yīng)位置，與氧氣一起構(gòu)成一個連續(xù)的電能產(chǎn)生裝置，具有無毒、無污染、放電電壓平穩(wěn)、高比能量、內(nèi)阻小、儲存壽命長、價格相對較低、工藝技術(shù)要求較低、高比功率等優(yōu)點，既有豐富的廉價資源，又能再生利用，而且比氫燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，是很有發(fā)展和應(yīng)用前景的新能源。金屬-空氣電池1174.5陽極材料電化學(xué)當量/(A·h/g)理論電壓(對氧陰極)/V理論比能量/(kW·h/kg)實測電壓/V鋰3.863.413.02.4鋁2.982.78.11.2～1.6鎂2.203.16.81.2～1.4鐵0.961.31.21.0鋅0.821.61.31.0～1.1金屬空氣電池常用的陽極材料電化學(xué)性能比較金屬-空氣電池1184.54.5.1鋅-空氣電池

鋅空氣電池（zincairbattery）用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質(zhì)，以鋅為負極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)的一種原電池。又稱鋅氧電池。鋅空氣電池具有容量大、比能量高、成本低、放電性能穩(wěn)定等優(yōu)點，是一種具有巨大市場前景的化學(xué)電源。然而，由于鋅空氣電池的放電電流密度偏低及其催化材料貴金屬的價格昂貴等原因，從而限制了它的市場和應(yīng)用范圍。金屬-空氣電池1194.54.5.1鋅-空氣電池工作原理鋅空氣電池的陰極活性物質(zhì)來源于空氣中的氧氣，負極采用廉價的鋅。在堿性電解液中，反應(yīng)如下：陰極：?O2+H2O+2e-→2OH-陽極：Zn→Zn2++2e-Zn2++2OH-→Zn(OH)2Zn(OH)2→ZnO+H2O總反應(yīng)：Zn+?O2→ZnO電動勢：常溫常壓下，空氣中氧分壓約為大氣壓的20%，鋅空氣電池的電動勢為1.636V，實測開路電壓在1.40～1.45V，工作電壓0.9～1.3V。金屬-空氣電池1204.54.5.1鋅-空氣電池鋅/空氣電池是以金屬鋅作負極活性物質(zhì)，以空氣中的氧或純氧作正極活性物質(zhì)，電解質(zhì)為堿性或中性的一種電池。它具有自放電率很低、能量密度高、電池的容量不受放電強度和溫度的影響、安全性高、原料成本低廉、環(huán)保等優(yōu)勢。在金屬/空氣電池中，鋅最受人們關(guān)注。這是因為在水溶液和堿性電解質(zhì)中比較穩(wěn)定且在添加適當?shù)囊种苿┖蟛话l(fā)生顯著腐蝕的金屬中，以鋅的電位最高。鋅在商品化的鋅/空氣原電池中已經(jīng)應(yīng)用多年。最初，這些產(chǎn)品是使用堿作為電解質(zhì)的大型電池，應(yīng)用于鐵路信號燈、遠距離通信和需要長時問、低倍率放電的海上導(dǎo)航裝置。隨著薄層電極技術(shù)的開發(fā)，應(yīng)用于助聽器、尋呼機和類似用途的小型(扣式)、高容量原電池都采用了此項技術(shù)。金屬-空氣電池1214.54.5.1鋅-空氣電池結(jié)構(gòu)糊狀的鋅粉在陽極端，起催化作用的碳在陰極。電池殼體上的孔可讓空氣中的氧進入腔體附著在陰極的碳上。同時，陽極的鋅被氧化。陰極——是起催化作用的碳從空氣中吸收氧。陽極——是鋅粉和電解液的混合物，成糊狀。電解液——高濃度的氫氧化鉀水溶液。隔離層——用于隔離兩級間固體粉粒的移動。絕緣和密封襯墊——尼龍材料。電池外表面——鎳金屬外殼，具有良好的防腐性的導(dǎo)體。金屬-空氣電池1224.54.5.1鋅-空氣電池基本特性（1）充電特性

鋅空氣電池的充電模式，打破了普通蓄電池的常規(guī)充電模式，采用機械式更換電池的鋅板或鋅粒的"充電"模式，整體更換鋅空氣電池的活性物質(zhì)，將整個鋅空氣電池進行更換，電池不再需要花很長的時間來充電，更換一塊20kWh的電池塊只需要1分40秒。只要在公路沿線設(shè)置鋅板或鋅粒匣以及電解質(zhì)器匣的機械式整體更換站，其效果如同現(xiàn)在內(nèi)燃機汽車的加油站，直接"充電"，可以為用戶提供很大的方便。

金屬-空氣電池1234.54.5.1鋅-空氣電池基本特性（2）放電特性鋅空氣電池的開路電壓是1.45V，工作電壓為0.9～1.30V，自放電每月0.2%～1.0%，可在-20～40℃的溫度范圍內(nèi)使用。實際比能量是目前已用電池中最高的一種，放電曲線平穩(wěn)。（3）電池使用壽命高倍率電池適合于大電流放電，但使用壽命短，常用作助聽器電源低倍率電池適合于小電流放電，使用壽命長，適合于電子手表應(yīng)用。金屬-空氣電池1244.54.5.2鋁-空氣電池鋁空氣電池的化學(xué)反應(yīng)與鋅空氣電池類似，鋁空氣電池以高純度鋁Al（含鋁99.99%）為負極、氧為正極，以氫氧化鉀（KOH）或氫氧化鈉（NaOH）水溶液為電解質(zhì)。鋁攝取空氣中的氧，在電池放電時產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，鋁和氧作用轉(zhuǎn)化為氧化鋁。鋁空氣電池的進展十分迅速，它在EV上的應(yīng)用已取得良好效果，是一種很有發(fā)展前途的空氣電池。1254.5工作原理在單體電池中以鋁（Al）為負極、氧為正極，在鋁空氣電池兩側(cè)有一對輔助空氣電極，作為鋁空氣電池正極，在工作時只消耗鋁和少量的水。兩極反應(yīng)為：負極（Al）：Al-3e=Al3+

Al3++3OH-=Al(OH)3(中性溶液）Al3++4OH-=Al(OH)4-(堿性溶液