新能源材料

前言

新能源與新材料，是國民經濟和社會發(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量。新材料是高新技術產業(yè)發(fā)展的基礎性與先導性行業(yè)，每一次材料技術的重大突破都會帶動一個新興產業(yè)群的發(fā)展，其研發(fā)水平及產業(yè)化規(guī)模已成為衡量一個國家經濟發(fā)展、科技進步和國防實力的重要標志。相對于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點，對于解決當今世界嚴重的環(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)已經越來越引起世界各國研究機構的廣泛重視，新的技術和成果不斷涌現(xiàn)。可以說，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)化能源結構、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，引導和支撐了新能源的發(fā)展。作為材料科學與工程專業(yè)的高級工程技術人才，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，具有能量儲存和轉換功能的功能材料或結構功能一體化材料。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、結構與工藝過程的關系及變化規(guī)律。根據教育部最新頒布的本科專業(yè)目錄，適應我國經濟結構戰(zhàn)略性調整、人才市場競爭力以及新材料、新能源新興產業(yè)發(fā)展的要求，為了達到培養(yǎng)專業(yè)面寬、知識面廣和工程能力強的應用型本科人才培養(yǎng)的目標，我們編寫了本教材。本書由鹽城工學院吳其勝教授、張霞副教授、劉學然副教授、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，并負責全書的統(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資料，在此向這些文獻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。

內容概要

　　全書共分七章，首先概述了新能源技術及其材料；第2～7章從原理和微觀機制、材料成分、組織結構與性能的關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)展應用前景及趨勢等進行了說明。
　　本書可作為高等院校，尤其是應用型本科院校的無機非金屬材料、金屬材料、高分子材料與工程和材料物理、材料化學等專業(yè)高年級學生的教材，也可供相關材料科學與工程技術人員參考。

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 半導體照明發(fā)光材料
7 相變儲能材料

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   3.3.1 金屬鋰負極材料 鋰離子電池負極材料經歷了曲折的過程。初期，負極材料是金屬鋰，它是比容量最高的負極材料。由于金屬鋰異常活潑，所以能與很多無機物和有機物反應。在鋰電池中，鋰電極與非水有機電解質容易反應，在表面形成一層鈍化膜（固態(tài)電解質界面膜，SEI），使金屬鋰在電解質中穩(wěn)定存在，這是鋰電池得以商品化的基礎。對于二次鋰電池，在充電過程中，鋰將重新回到負極，新沉積的鋰的表面由于沒有鈍化膜保護，非?；顫?，部分鋰將與電解質反應并被反應產物包覆，與負極失去電接觸，形成彌散態(tài)的鋰。與此同時，充電時負極表面形成枝晶，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極材料 為了解決二次鋰電池采用金屬鋰作為負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)生合金化反應的材料一直得到廣泛關注。 歷史上對合金類負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)生電化學合金化反應。 對于合金類負極材料而言，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中達到最大濃度時體積膨脹百分比達到100％，而在Sn與Si中高達310％和260％。這使得電極材料在反復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）的LixSn或LixCd中形成混合導體全固態(tài)復合體系；Shacklette等提出將鋰合金分散在導電聚合物中形成復合材料；Bensenhard提出將小顆粒合金嵌入穩(wěn)定的網絡支撐體中。這些措施從一定程度上抑制了合金材料的粉化，但仍然沒有達到使用化的要求。 自從搖椅式電池設計思想以及碳負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，這一轉變標志著鋰源負極的結束，負極材料不再需要含鋰。雖然碳負極材料在1990年以后得到了更多的關注，由于可以不含金屬鋰，在材料設計和制備上有了更多的方案。其中幾個方面的研究，對今后設計合金類負極材料起了關鍵性的作用。

編輯推薦

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

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