先進(jìn)電池與材料化學(xué)

李志嘉，彭玉秀，呂中陽(yáng)

（沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110159）

先進(jìn)電池與材料化學(xué)

李志嘉，彭玉秀，呂中陽(yáng)

（沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110159）

想生產(chǎn)先進(jìn)的電池產(chǎn)品就必須有高品質(zhì)的原材料做基礎(chǔ)，而高品質(zhì)的原材料從何而來(lái)呢，這時(shí)就需要特殊的化學(xué)方法和工藝。相對(duì)來(lái)說(shuō)電池行業(yè)的不斷發(fā)展同時(shí)特推動(dòng)了材料化學(xué)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。針對(duì)材料化學(xué)在電池制造領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹和分析。

先進(jìn)電池；材料；化學(xué)

先進(jìn)電池是指鋰離子蓄電池和鎳氫蓄電池及燃料電池。對(duì)于鋰離子電池進(jìn)行研究和探討的論文和刊物每年都有很多，其中絕大部分都是和新型材料技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)品，這些新型材料都是通過(guò)特殊的化學(xué)方法和工藝制作出來(lái)的，所以說(shuō)材料化學(xué)在這一領(lǐng)域中的重要作用。

1 質(zhì)子燃料電池的地位正在受到固體氧化物燃料電池的沖擊

質(zhì)子燃料電池是未來(lái)的汽車(chē)行業(yè)動(dòng)力電源的主要來(lái)源，有著非常好的發(fā)展前景和技術(shù)基礎(chǔ)。這項(xiàng)技術(shù)在1960年美國(guó)就應(yīng)用到了航空航天事業(yè)中，到90年代初就可以達(dá)到汽車(chē)用電的使用標(biāo)準(zhǔn)。但是這項(xiàng)技術(shù)到現(xiàn)在也沒(méi)有被批量生產(chǎn)進(jìn)行市場(chǎng)化，是因?yàn)樯a(chǎn)這種產(chǎn)品所需要一種原材料就是鉑。通過(guò)科學(xué)家們的不斷努力和研究，這項(xiàng)技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展，從原來(lái)鉑的使用量4mg/cm2降低到1mg，后來(lái)又降低到0.1mg。即使科學(xué)技術(shù)發(fā)展如此迅速，但如果真要對(duì)其批量生產(chǎn)的話(huà)，每一輛汽車(chē)所需要的鉑的用量就是8mg。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界的鉑元素的儲(chǔ)備量?jī)H有大約幾十噸，現(xiàn)在汽車(chē)的數(shù)量不計(jì)其數(shù)，這樣來(lái)看，鉑元素就太少了。這一點(diǎn)就提醒人們要進(jìn)行新型材料和技術(shù)的研究，不使用鉑元素。當(dāng)前儲(chǔ)氫材料主要有AB5或AB2，納米碳儲(chǔ)氫量達(dá)到了8％，而儲(chǔ)氫量?jī)H有2％。就算應(yīng)用納米碳，所攜帶8kg的氫氣就要附帶90kg左右的儲(chǔ)氫材料，這還沒(méi)有算上外殼的重量。

質(zhì)子燃料電池的工作溫度在80℃，固體氧化物電池的工作溫度通常在1 000℃以上。通過(guò)這幾年的研究和發(fā)展，工作溫度有原來(lái)的1 000℃降到了800℃，現(xiàn)在又出現(xiàn)了新型的固體氧化物電解質(zhì)，名稱(chēng)為SDC電解質(zhì)，它所配置的燃料電池不需要使用貴重的金屬來(lái)當(dāng)催化劑的材料，可以直接使用碳?xì)浠衔锂?dāng)燃料。所以說(shuō)固體氧化物燃料電池的發(fā)展前景相對(duì)來(lái)說(shuō)更加的好，對(duì)于聚合物電解質(zhì)電池確實(shí)提出了挑戰(zhàn)。

2 鋰離子蓄電池的不斷更新和發(fā)展

鋰離子蓄電池在眾多電池種類(lèi)中脫穎而出，它的發(fā)展歷史可以說(shuō)是具有一定的傳奇色彩。在其發(fā)展的過(guò)程中出現(xiàn)了LiCoO2，鋰離子電池轉(zhuǎn)變成為能夠充電的充電電池，由于這種元素的出現(xiàn)直接改變了鋰離子電池的命運(yùn)，但是在被投入使用中才發(fā)現(xiàn)，由于其在充放電的過(guò)程當(dāng)中電流的分布非常不均勻，特別容易造成鋰金屬表面結(jié)晶，導(dǎo)致這種能夠反復(fù)充電使用的電池使用壽命較短。90年代初，日本人發(fā)明了碳儲(chǔ)鋰材料，使鋰離子電池轉(zhuǎn)變成為鋰離子蓄電池，層狀材料時(shí)鋰離子蓄電池的基礎(chǔ)。后來(lái)在使用的過(guò)程中又發(fā)現(xiàn)LiCoO2在充電和放電的過(guò)程當(dāng)中體積會(huì)逐漸的變化，與負(fù)極材料同時(shí)發(fā)生收縮和膨脹，后來(lái)就又研制出了LiMn2O4材料，該材料能夠在層狀炭發(fā)生膨脹時(shí)進(jìn)行收縮。但是它的缺點(diǎn)是容量沒(méi)有LiCoO2這種材料大，但價(jià)格比較便宜。

還有一種材料就是LiNiXCo1-xO2，因?yàn)殒嚨膬r(jià)格比較便宜，但是容量比LiCoO2要大出20％以上。這種材料也存在著一定的問(wèn)題，這種材料在使用化學(xué)工藝進(jìn)行合成時(shí)，控制難度大，合成工藝復(fù)雜，出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，在充電高出電壓范圍時(shí)，它能夠催化電解質(zhì)。對(duì)于這些問(wèn)題也出現(xiàn)了解決的辦法。最新和合成制作工藝就是使用控制結(jié)晶法，首先合成NiXCo1-x（OH）2的前身，在應(yīng)用固相反應(yīng)法來(lái)進(jìn)行LiNiXCo1-xO2的合成。容量能夠穩(wěn)定在180mAh/g之上。后序在進(jìn)行表面的修飾，該產(chǎn)品的性能非常穩(wěn)定。聚合物離子電池的問(wèn)世轟動(dòng)了全世界。通過(guò)物理方法能夠直接制備出納米合金，比如等離子濺射法，這種工藝本質(zhì)是把金屬轉(zhuǎn)化成蒸汽然后進(jìn)行冷卻再形成固體，所消耗資源和損失都非常大。應(yīng)用電化學(xué)法與機(jī)械學(xué)方法，就是在接近常溫的環(huán)境之下，所合成的金屬間的化合物。為了防止結(jié)晶現(xiàn)象的產(chǎn)生，對(duì)金屬物體表面的處理要特別注意，是非常關(guān)鍵的工序。

3 材料化學(xué)的形成和興起

把多種多樣的電池材料進(jìn)行總結(jié)和歸納，大概分成以下幾大類(lèi)：

1）氧化物，包含鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池的正極材料等，鋰離子蓄電池氧化物負(fù)極材料與固體氧化物電解質(zhì)，固體氧化物電池催化電極材料也都包含在內(nèi)，這類(lèi)型的氧化物的晶體結(jié)構(gòu)要求非常的嚴(yán)格，植被合成方法工藝上也都有共同點(diǎn)。

2）碳素材料，包含鋰離子蓄電池負(fù)極材料，硬碳和相微球碳，超級(jí)電容器中的納米碳管，納米碳管能夠儲(chǔ)氫材料，在未來(lái)很可能成為儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域的非常重要的材料。上述的這些材料，它們的化學(xué)成分都是碳，還有他們的化學(xué)改性工藝上也有著很多的相同之處。

3）合金材料，所說(shuō)的就是鎳氫蓄電池負(fù)極材料的儲(chǔ)氫合金與鋰離子蓄電池負(fù)極材料錫系的合金材料，后者所說(shuō)的錫合金本質(zhì)是一種儲(chǔ)鋰合金，合金材料形成金屬氰化物，而錫合金則和鋰形成了金屬間的化合物，后者應(yīng)該說(shuō)是前者的繼承人，因?yàn)樵诤笳叩陌l(fā)展中，都對(duì)前者在制備方法工藝，晶體結(jié)構(gòu)，摻雜原則和化學(xué)改性等方面進(jìn)行了學(xué)習(xí)和參考，為后者的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)和豐富經(jīng)驗(yàn)。

4）聚合物材料，調(diào)整包含了質(zhì)子燃料電池中所使用的質(zhì)子交換膜和超級(jí)電容器之內(nèi)所使用的聚合物電解質(zhì)材料及鋰離子電池之中的聚合物電解質(zhì)。在鉛酸電池和鎳氫電池之中所使用的隔膜都要進(jìn)行化學(xué)改性，但這項(xiàng)技術(shù)和專(zhuān)業(yè)就屬于高分子物理與高分子化學(xué)的研究范疇了。

4 總結(jié)

我國(guó)在90年代初期開(kāi)始進(jìn)行研究鎳氫蓄電池，燃料電池和鋰離子蓄電池方面的工作，肩負(fù)著我國(guó)973計(jì)劃和863計(jì)劃的艱巨任務(wù)，通過(guò)不斷的研究和努力取得了一定的成果。與此同時(shí)也對(duì)該專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)非常重視，在全國(guó)各高等院校當(dāng)中，開(kāi)設(shè)了研究生課程《材料化學(xué)》，并進(jìn)行了一攬子的基礎(chǔ)理論的研究，為建立材料化學(xué)專(zhuān)業(yè)提供有力的理論依據(jù)，為我國(guó)材料化學(xué)方向培養(yǎng)出高精尖的素質(zhì)型人才。

Advanced Battery and Materials Chemistry

Li Zhi-jia，Peng Yu-xiu，Lyv Zhong-yang

To make advanced battery products must have high-quality raw materials to do the foundation，and high-quality raw materials come from，then you need special chemical methods and processes.Relatively speaking，the continuous development of the battery industry at the same time to promote the material chemistry of the technology development and progress.The application of material chemistry in battery manufacturing is introduced and analyzed.

advanced battery；material；chemistry

TM910.4

A

1003-6490（2016）08-0034-02

2016-07-30

李志嘉（1995—），男，遼寧葫蘆島人，本科在讀，主要研究方向?yàn)橥垦b。