綠色二次電池

前言

　　發(fā)展清潔和可再生能源是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重大戰(zhàn)略，已被列為《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2010年）》中重點和優(yōu)先發(fā)展的方向。在新能源領域的各個層次，綠色二次電池作為一種高效的能量轉換與儲存方式，成為未來一系列重大高技術發(fā)展的重要技術關鍵?！　τ诙坞姵囟?，目前的技術水平，特別是在能量密度、功率密度、安全性等方面，還難以滿足新能源技術飛速發(fā)展的需要，在有些方面已嚴重制約了若干重大應用技術的發(fā)展。要實現(xiàn)二次電池在技術上的跨越式進步，理論上必須有新的發(fā)展，應用上必須有新構思以及新材料和新技術的支持。　　《綠色二次電池：新體系與研究方法》一書總結了國內(nèi)外特別是該（973）綠色二次電池研究團隊近年來有關高比能二次電池基礎研究方面的新認識，提出利用多電子反應實現(xiàn)高比能二次電池新體系和利用快速電極反應等實現(xiàn)電池高功率的若干新構思，對于解決電池安全性問題的技術原理進行了新的闡述。此外，該書對于近年來電池領域出現(xiàn)的先進研究方法，如電池反應的譜學表征方法、電池材料的模擬計算與結構設計、二次電池的綠色度評價方法等，進行了較為詳細的介紹和論述。該書的出版有利于開拓化學電源領域研究人員的視野，也是對近年來我國綠色二次電池與相關材料基礎研究創(chuàng)新成果的一個歸集，這無疑會對我國綠色二次電池的發(fā)展起到積極的促進作用。

內(nèi)容概要

本書主要討論并闡述了綠色二次電池發(fā)展中的新體系及研究方法。內(nèi)容包括近年來綠色二次電池研究中的新構思、新材料、新技術、新原理和新進展，重點介紹高能量密度多電子反應電池體系、高功率電極材料與電池設計、高能量密度電池的安全性控制技術、電極材料的理論設計方法、電池反應的現(xiàn)場譜學表征技術，以及電池的綠色度評價方法。    本書可供從事化學電源研究和設計的科研人員及高等院校相關專業(yè)研究生學習、參考。

書籍目錄

序前言第1章  概論  1.1  國家需求與研究背景  1.2  面臨問題與研究目標  1.3  發(fā)展機遇與產(chǎn)業(yè)格局  1.4  研究概況與技術挑戰(zhàn)    1.4.1  多電子反應體系    1.4.2  快速電極反應過程與相關材料    1.4.3  可控電池反應  1.5  結語第2章  高比能二次電池分析  2.1  引言  2.2  實現(xiàn)高比能量的理論分析    2.2.1  高比能電池的理論原理    2.2.2  影響電池比能量的因素  2.3  高比能二次電池發(fā)展現(xiàn)狀    2.3.1  二次電池體系開發(fā)現(xiàn)狀    2.3.2  典型高比能二次電池體系的技術現(xiàn)狀    2.3.3  現(xiàn)有高比能二次電池體系的技術局限  2.4  現(xiàn)有高比能二次電池體系的發(fā)展?jié)摿? 2.5  提升二次電池能量密度的可能途徑  參考文獻第3章  高功率電池設計與應用技術  3.1  引言  3.2  高功率電池設計    3.2.1  電池內(nèi)阻與最大輸入/輸出功率的關系    3.2.2  高功率電池設計的工藝敏感性因素分析    3.2.3  電池安全性與反應選擇性、電極材料極化均勻程度的關系  3.3  磷酸鐵鋰材料的高功率輸出特性  3.4  改善儲氫合金負極的低溫輸出特性的措施    3.4.1  制約儲氫材料低溫性能的主要影響因素    3.4.2  改善儲氫合金電極低溫輸出性能的措施  3.5  電池的熱特性與管理設計    3.5.1  電池熱模型的建立    3.5.2  電池熱管理系統(tǒng)的設計  3.6  高功率電池的發(fā)展  參考文獻第4章  室溫鋰硫二次電池  4.1  鋰硫電池的反應機理    4.1.1  鋰硫電池的多步電化學反應    4.1.2  容量衰減機理  4.2  單質(zhì)硫正極材料  4.3  硫化物正極材料    4.3.1  無機硫化物    4.3.2  有機硫化物  4.4  鋰硫電池用電解質(zhì)材料    4.4.1  鋰硫電池用電解質(zhì)的評價指標    4.4.2  鋰硫電池用液態(tài)電解質(zhì)    4.4.3  鋰硫電池用固態(tài)電解質(zhì)  4.5  應用示例  4.6  結語  參考文獻第5章  薄液層電化學儲能體系第6章  三維結構錫基儲鋰合金負極材料第7章  多電子反應氫氧化鎳電極材料第8章  高比能電池的安全性與反應控制技術第9章  電池反應研究的譜學表征方法第10章  新型電池材料的模擬計算與結構設計第11章  二次電池的綠色度評價方法參考文獻

章節(jié)摘錄

　　4.1.2容量衰減機理　　單質(zhì)硫雖然具有高比容量、低造價、環(huán)境友好等優(yōu)點，但鋰硫電池卻存在著容量衰減快、循環(huán)壽命短的問題，并且存在因多硫化鋰在電解質(zhì)中溶解引起的“飛梭”現(xiàn)象（shuttle mechanism），導致電池充放電的庫侖效率低、活性物質(zhì)流失并腐蝕負極。Cheon等研究表明，鋰硫電池容量衰減的首要原因是電極結構形貌的破壞。Yuan等采用電化學交流阻抗譜（EIS）、XRD／SEM和EDS方法考察了硫正極的電化學反應過程，對硫／炭黑／PVDF_HFP（6：3：1）正極材料組裝的Li／s原型電池進行充放電測試結果表明，放電過程分為兩個階段：在第一階段（2.5～2.05V）中，單質(zhì)硫還原生成可溶性多硫化物，并伴隨可溶性多硫化物還原為Li2Sx（x>4）的過程；在第二階段（2.05～1.5V）中，可溶性多硫化物Li2Sx進一步還原生成Li2 S固態(tài)膜，并覆蓋到碳基復合材料表面。而在充電過程中，Li2S只能氧化生成可溶性多硫化物Li2Sx（x>4），而不能完全氧化成硫單質(zhì)。這就導致了Li／S電池容量的不可逆衰減。從EIS中可以看出，第一階段和第二階段的速控步驟分別為相間電荷傳遞過程和傳質(zhì)過程。　　總體來看，制約鋰硫電池實際應用的問題主要有以下幾個方面：　?。?）在室溫下，熱力學最穩(wěn)定的硫分子是由8個S原子相連組成的冠狀S8，分子之間的結合形成結晶性很好的單質(zhì)硫，是典型的電子和離子絕緣體（25度時電導率為5×10-30S?cm-1），因此S8用作電極活性物質(zhì)材料時活化難度大?！　。?）鋰硫電池活性物質(zhì)單質(zhì)硫S8在常用的有機電解質(zhì)中溶解度較低，使電池的活性物質(zhì)無法與電解質(zhì)接觸并完成電化學反應，從而導致活性物質(zhì)的利用率降低。　?。?）放電反應的中間產(chǎn)物會大量溶解于電解質(zhì)中。研究表明，大量的聚硫化鋰溶解并擴散于電解質(zhì)中會導致正極活性物質(zhì)的流失，從而降低電池的循環(huán)壽命；另外，放電產(chǎn)物鋰硫化物Liz S2和Li2S會從有機電解質(zhì)中沉淀析出，并覆蓋在硫正極的表面，形成絕緣的鋰硫化物薄膜，從而阻礙了電解質(zhì)與電極活性材料間的電化學反應（圖4.2）。　?。?）金屬鋰化學性質(zhì)非常活潑，易與電解質(zhì)溶液發(fā)生反應，在電極材料表面生成SEI膜，導致電極極化電阻增大；溶解的多硫化物會擴散到鋰表面與鋰發(fā)生腐蝕反應，導致不可逆的容量損失；充放電過程中部分鋰會失去活性，成為不可逆的死鋰；并且由于電極表面的不均勻性，可能生成鋰枝晶而導致安全性問題。

編輯推薦

　　《綠色二次電池：新體系與研究方法》一書總結了國內(nèi)外特別是該（973）綠色二次電池研究團隊近年來有關高比能二次電池基礎研究方面的新認識，提出利用多電子反應實現(xiàn)高比能二次電池新體系和利用快速電極反應等實現(xiàn)電池高功率的若干新構思，對于解決電池安全性問題的技術原理進行了新的闡述。此外，該書對于近年來電池領域出現(xiàn)的先進研究方法，如電池反應的譜學表征方法、電池材料的模擬計算與結構設計、二次電池的綠色度評價方法等，進行了較為詳細的介紹和論述。

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