电池新材料和新体系.ppt

电池新材料与新体系newpower@mail.csu.edu.cn 1、背景与需求 * 近十几年来化学电源的研究成果丰硕。由于应用领域的拓展，人们对其发展寄于更多的期望。需要思考的问题是： 如何使比能量大幅增加，达300 Wh/Kg 以上; 如何能使比功率成倍提高，达到30C或更高; 如何适应资源和环境的挑战，更好的循环性。 2、负极材料 之一 水溶液一次电池 原则上，许多活泼金属都可以作为高比能负极材料， 由于化学上的不稳定和表面钝化等原因，实际上仅少数金属（如Zn ) 获得应用。采用金属硼化物可能解决上述两方面问题。金属硼化物的主要性质： 化学稳定性；（耐酸，碱，高温，） 组成和结构的多样性； 金属导电性； （类铜） 环境兼容性。 3322* -1.0 /ocv V(OH)3 +2B(OH)3+ 9e =VB2 + 9OH- VB2 7444 -1.04 BF4 - +3e = B + 4F- B 3857 * -1.05 /ocv Ti(OH)4 + 2B(OH)3 +10e = TiB2 +10OH- TiB2 2238 -1.19 TiF6 2- + 4e = Ti +6F- Ti 820 -1.24 Zn(OH)2 +2e = Zn +2OH- Zn 比容量(mAh/g) 电极电势 电 极 反 应 材 料 几种负极材料的比较： * Possible now. Suggested reaction: ？ VB2 + 9OH- - 9e V(OH)3 + 2B(OH)3 unpublished 初步的实验表明，金属硼化物可以实现多电子反应，成倍提高负极容量。这类体系无疑会成为一个新的研究方向。 2、负极材料 之二 水溶液二次电池 现有的稀土储氢合金，容量约300mAh/g. 循环寿命可达上千次。目前一些热门材料尚不能与之相比。 镁基储氢合金：化学稳定性问题。 炭纳米管类： 有限的电化学活性。 应当重新认识合金材料性质，以及实现电化学可逆性的条件，发展新的负极体系，如： 硼、硅的合金。（硼化钴，… ） 改善表面钝化的电解质和表面活性剂。 J.P.S. 2001 Colloid Surfaces. 1999 即使缓慢，也还是看到可充性负极在进步： 镁基储氢合金的循环寿命在提高； 硼化钴表现出较好的储氢性能，预示着一类新的无机储氢材料； 一些具有超凡储氢能力的材料不断报道。 聚苯胺和聚吡咯常温下可储存6%的氢，酸处理后可储存8%（by weight )的 氢. 2、负极材料 之三 化学氢源 利用高含氢化合物作为氢源，可为移动式化学电源提供高能量密度的负极活性物质。如： NaBH4的直接电化学氧化: NaBH4 + 8OH- – 8e = 6H2O + NaBO2 E = -1.24 V E.D.=5671mAh/g 实验结果：放电容量相当于7.9个电子反应，电压平台0.8V（空气正极）。 电催化是关键，特别是廉价催化剂。 Fig.2. H2 generation rate by 0.2g NixB in 20ml 1.5wt% NaBH4 solution with NaOH a: 0 b: 10 c: 20 wt%  Fig.6.Max. H2 storage capacity in 10.00g NaBH4+18.00g H2O at 45℃ 高效，可控，常温反应。 NaBH4+ H2O = NaB(OH)4 + 4H2 出氢量：8.5% 产物的电化学还原技术是应用的重要课题。 硼氢化钠的催化氢解 In press. NaAlH4 可在催化剂作用下可逆地放/吸氢; 3NaAlH4 ? NaAlH6 + 2Al + 3H2 NaAlH6 ? 3NaH + Al + 3/2H2 （ 可逆氢3- 4 wt % ） 放氢： 100o C,