如何构造比能量大于500Whkg的电池概要.doc

如何构造比能量大于500Wh/kg的电池 专业： 姓名： 学号： 电池的出现也有100多年了。100多年来电池经过了不断的发展。由最初的铅酸电池，发展到了现阶段的锂离子电池，镍氢电池。虽然电池的比能量不断的增加，但是日益增长的需求迫切需要更高容量的电池。铅酸电池比能量大约是30wh/kg。后来的镍氢电池大概70WH/kg左右。而锂离子电池的比能量暂时最大达到200多WH/kg。具体数值查数据得： 和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入脱嵌的。 对于一个实际电池体系来说，除参与电池反应的电极活性物质外，还应包含许多其他结构材料，如导电剂、黏结剂、集流体、隔膜、外壳等，因此，电池的实际比能量往往大大低于其理论值。事实上，电池的实际比能量除受这一因素影响外，在很大程度上还受制于电池反应实际能达到的反应程度以及实际的可输出电压。上述影响因素分别称为电压效率和质量效率、反应效率。 电压效率 所谓电压效率是指电池的实际输出电压与电动势的比值。由于电动势只是从热力学角度考虑而获得的一个理论电压值，而电池的实际输出电压涉及反应体系的动力学性质，因此，后者低于前者，其比值小于1。电压降低的多少由电极反应的电化学极化、浓差极化及体系的欧姆极化所决定。其中，欧姆极化包含电池各部件之间的接触电阻、固相电阻以及电解质溶液的液相电阻等引起的极化。因此，要获得高的电压效率，必须选择具有高电化学活性的物质作为电极活性材料，并发展与之适配的具有高电导率特征的电解质体系，同时，尽量减小体系的固相电阻及接触电阻。所谓反应效率是指实际电池反应能进行的最大限度，也就是活性物质的利用率。导致电极活性物质利用率降低的原因主要有各种副反应的发生(如水溶液电池中的置换析氢反应)、电极表面钝化以及电极结构粉化等。因此，要提高电极材料的反应效率，必须避免和抑制上述现象的发生。例如，增大电极表面积、提高电极孔隙率或加入合适添加剂等以消除或延缓负极钝化。 质量效率 所谓质量效率是指电池按理论计算所需的活性物质的质量与电池实际质量的比值。实际电池的质量效率大多不到40％，其主要原因是由于电池中包含了许多如前所述的辅助及结构材料。而且当电解质溶液不直接参与电极成流反应而仅作为离子导体时，计算理论比能量时并没有考虑电解质溶液的质量，而在实际电池中，电解质溶液是必需的电池基本三要素之一，也一定程度上降低了电池实际比能量。此外，在设计实际电池时出于各种考虑，往往需要使某一活性电极材料过量，这也在一定程度上降低了电池的质量效率。例如，为了避免充电过程中负极析锂和提高电池的安全性，锂离子电池炭负极材料一般过量5％～10％。而在Cd／Ni电池中，为了防止负极过充时析氢和利于消除正极过充产生的氧气，负极活性物质往往过量25％以上。提高质量效率的最有效方法是采用轻质结构材料并减小其用量。例如，采用铝壳代替钢壳后，锂离子电池的质量效率提高了约20％。而采用铝复合膜为外壳的软包装锂离子电池，其质量效率已高达45％～50％，是目前质量效率最高的电池体系。 考虑上述影响因素后的电池的比能量为实际比能量。实际质量比能量w与理论质量比能量W。的关系为：W—W。·班·琅·啦。一般来说，电池的实际比能量大多仅为理论比能量的20％～35％。表2.3列出了一些常见电池体系的理论比能量与实际比能量。 反应效率 反应效率是指活性物质利用率。由于副反应存在，使活性物质利用率下降。例如水溶液电池中置换析H2反应、负极钝化、正极的逆歧化反应等，都降低活性物质利用率。??? (1)水溶液中的置换反应电极电位比氢更负的金属，就可能发生置换析H2而被腐蚀。例如，在碱性溶液中，Pb，cd不会被腐蚀，锌电极电位虽比氢的电极电位更负，但由于锌电极上氢的过电位大，所以锌的自放电小，而Fe，Al，Li，Na等电极由于电极电位比氢电极更负，电极上氢的过电位也小，所以，易被腐蚀。如果在溶液中或负极金属中存在电极电位较正，能被负极金属置换出来的金属如Ag，cu，sb，Pt等，则会加速负极腐蚀。由于腐蚀反应，使负极的电位向正向移动，从而使电压效率降低。??? (2)负极钝化由于电极表面吸附或生成氧化膜，把活性物质与电解质溶液隔开，阻碍电极反应继续进行，引起钝化。增大电极表面积，加入添加剂、膨胀剂，提高电极多孔率等可以消除或延缓负极钝化。??? (3)正极的逆歧化反应，例如铅酸电池正极上PbO2和板栅Pb的反应消耗活性物质PbO2。??? Pb02+Pb+2H2S04→2PbS04+2H20??? AgO电极的副反应，??? AgO+Ag→Ag20??? 虽然活性物质没有损失，但降低了电压，损失了比能量。 总结 由于上述三种因素严