新能源材料

前言

新能源與新材料，是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的命脈，廣泛滲透于人類的生活之中，影響著人類的生存質(zhì)量。新材料是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性與先導(dǎo)性行業(yè)，每一次材料技術(shù)的重大突破都會帶動一個新興產(chǎn)業(yè)群的發(fā)展，其研發(fā)水平及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模已成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國防實力的重要標(biāo)志。相對于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點，對于解決當(dāng)今世界嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和資源（特別是化石能源）枯竭問題具有重要意義。面對日益嚴(yán)峻的能源問題和環(huán)境污染問題，人類最終離不開新材料、新能源的使用，新能源材料的開發(fā)已經(jīng)越來越引起世界各國研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視，新的技術(shù)和成果不斷涌現(xiàn)?？梢哉f，新能源材料的開發(fā)和利用已成為社會可持續(xù)發(fā)展的重要影響因素。   開發(fā)新能源是降低碳排放、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。在新能源的發(fā)展過程中，新能源材料起到了不可替代的重要作用，引導(dǎo)和支撐了新能源的發(fā)展。作為材料科學(xué)與工程專業(yè)的高級工程技術(shù)人才，了解與掌握作為新材料重要組成部分且最具發(fā)展前景的新能源材料方面的知識，是時代的需要、市場的需要、材料發(fā)展的需要。 新能源材料是指支撐新能源發(fā)展，具有能量儲存和轉(zhuǎn)換功能的功能材料或結(jié)構(gòu)功能一體化材料。新能源材料對新能源的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，一些新能源材料的發(fā)明催生了新能源系統(tǒng)的誕生，其應(yīng)用提高了新能源系統(tǒng)的效率，新能源材料的使用則直接影響著新能源系統(tǒng)的投資與運行成本。本書闡述了金屬氫化物鎳電池材料、鋰離子電池材料、燃料電池材料、太陽能電池材料、半導(dǎo)體照明發(fā)光材料、相變儲能材料等新能源材料的成分、組成、結(jié)構(gòu)與工藝過程的關(guān)系及變化規(guī)律。根據(jù)教育部最新頒布的本科專業(yè)目錄，適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整、人才市場競爭力以及新材料、新能源新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，為了達(dá)到培養(yǎng)專業(yè)面寬、知識面廣和工程能力強(qiáng)的應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的目標(biāo)，我們編寫了本教材。本書由鹽城工學(xué)院吳其勝教授、張霞副教授、劉學(xué)然副教授、于方麗博士、溫永春博士、王旭副教授、江蘇東新能源公司董事長戴振華編寫。具體編寫情況如下：吳其勝教授編寫第1、3、7章，并負(fù)責(zé)全書的統(tǒng)稿工作；張霞副教授編寫第2章；王旭副教授、溫永春博士編寫第4章；劉學(xué)然副教授編寫第5章；于方麗博士編寫第6章，戴振華參與第3章的編寫工作。在編寫過程中，本書參考了大量的文獻(xiàn)資料，在此向這些文獻(xiàn)的作者們表示衷心感謝。本書涉及的知識面較廣，限于編者的學(xué)識水平，書中不足與不妥之處在所難免，懇請讀者給予批評指正。

內(nèi)容概要

　　全書共分七章，首先概述了新能源技術(shù)及其材料；第2～7章從原理和微觀機(jī)制、材料成分、組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系等方面分別具體介紹了金屬氫化物鎳電池材料、鋰離子電池材料、燃料電池材料、太陽能電池材料、半導(dǎo)體照明發(fā)光材料及相變儲能材料等新能源材料，同時對這些新能源材料的發(fā)展應(yīng)用前景及趨勢等進(jìn)行了說明。
　　本書可作為高等院校，尤其是應(yīng)用型本科院校的無機(jī)非金屬材料、金屬材料、高分子材料與工程和材料物理、材料化學(xué)等專業(yè)高年級學(xué)生的教材，也可供相關(guān)材料科學(xué)與工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

1 概述
2 金屬氰化物鎳電池材料
3 鋰離子電池材料
4 燃料電池材料
5 太陽能電池材料
6 半導(dǎo)體照明發(fā)光材料
7 相變儲能材料

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   3.3.1 金屬鋰負(fù)極材料 鋰離子電池負(fù)極材料經(jīng)歷了曲折的過程。初期，負(fù)極材料是金屬鋰，它是比容量最高的負(fù)極材料。由于金屬鋰異?；顫姡阅芘c很多無機(jī)物和有機(jī)物反應(yīng)。在鋰電池中，鋰電極與非水有機(jī)電解質(zhì)容易反應(yīng)，在表面形成一層鈍化膜（固態(tài)電解質(zhì)界面膜，SEI），使金屬鋰在電解質(zhì)中穩(wěn)定存在，這是鋰電池得以商品化的基礎(chǔ)。對于二次鋰電池，在充電過程中，鋰將重新回到負(fù)極，新沉積的鋰的表面由于沒有鈍化膜保護(hù)，非常活潑，部分鋰將與電解質(zhì)反應(yīng)并被反應(yīng)產(chǎn)物包覆，與負(fù)極失去電接觸，形成彌散態(tài)的鋰。與此同時，充電時負(fù)極表面形成枝晶，造成電池軟短路，使電池局部溫度升高，熔化隔膜，軟短路變成硬短路，電池被毀，甚至爆炸起火。 3.3.2 鋰合金與合金類氧化物負(fù)極材料 為了解決二次鋰電池采用金屬鋰作為負(fù)極時容易粉化并形成枝晶的問題，采用鋰合金作為二次鋰電池的負(fù)極以及后來在鋰離子電池中采用能與鋰發(fā)生合金化反應(yīng)的材料一直得到廣泛關(guān)注。 歷史上對合金類負(fù)極的研究始于高溫熔融鹽體系的鋰合金，研究體系包括Li—Al、Li—Si、Li—Sn、Li—Sb、u—Bi、Li—Pb、Li—Cd以及Li—Mg等。研究發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)電解液體系中，鋰在常溫下也可以與Al、Si、Sn、Pb、In、Bi、Sb、Ag、Mg、Zn、Pt、Cd、Au、As、Ge等發(fā)生電化學(xué)合金化反應(yīng)。 對于合金類負(fù)極材料而言，最大的問題是深度嵌鋰和脫鋰引起的較大的體積膨脹與收縮。例如，鋰在Al、Sb中達(dá)到最大濃度時體積膨脹百分比達(dá)到100％，而在Sn與Si中高達(dá)310％和260％。這使得電極材料在反復(fù)的充放電過程中逐漸粉化并脫落，電池循環(huán)性變差。 為了解決合金材料的粉化問題，Huggins提出將活性的LixSi合金均勻分散在非活性（所謂的非活性是指在一定的電位下不參與反應(yīng)）的LixSn或LixCd中形成混合導(dǎo)體全固態(tài)復(fù)合體系；Shacklette等提出將鋰合金分散在導(dǎo)電聚合物中形成復(fù)合材料；Bensenhard提出將小顆粒合金嵌入穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)支撐體中。這些措施從一定程度上抑制了合金材料的粉化，但仍然沒有達(dá)到使用化的要求。 自從搖椅式電池設(shè)計思想以及碳負(fù)極材料引入二次鋰電池后，二次鋰電池逐漸朝鋰離子電池方向發(fā)展，這一轉(zhuǎn)變標(biāo)志著鋰源負(fù)極的結(jié)束，負(fù)極材料不再需要含鋰。雖然碳負(fù)極材料在1990年以后得到了更多的關(guān)注，由于可以不含金屬鋰，在材料設(shè)計和制備上有了更多的方案。其中幾個方面的研究，對今后設(shè)計合金類負(fù)極材料起了關(guān)鍵性的作用。

編輯推薦

《新能源材料》是“十二五”上海重點圖書，是材料科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)用型本科系列教材。

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