先进电池与材料化学

李志嘉，彭玉秀，吕中阳

（沈阳理工大学，辽宁沈阳 110159）

先进电池与材料化学

李志嘉，彭玉秀，吕中阳

（沈阳理工大学，辽宁沈阳 110159）

想生产先进的电池产品就必须有高品质的原材料做基础，而高品质的原材料从何而来呢，这时就需要特殊的化学方法和工艺。相对来说电池行业的不断发展同时特推动了材料化学这项技术的发展和进步。针对材料化学在电池制造领域中的应用进行了介绍和分析。

先进电池；材料；化学

先进电池是指锂离子蓄电池和镍氢蓄电池及燃料电池。对于锂离子电池进行研究和探讨的论文和刊物每年都有很多，其中绝大部分都是和新型材料技术相关的产品，这些新型材料都是通过特殊的化学方法和工艺制作出来的，所以说材料化学在这一领域中的重要作用。

1 质子燃料电池的地位正在受到固体氧化物燃料电池的冲击

质子燃料电池是未来的汽车行业动力电源的主要来源，有着非常好的发展前景和技术基础。这项技术在1960年美国就应用到了航空航天事业中，到90年代初就可以达到汽车用电的使用标准。但是这项技术到现在也没有被批量生产进行市场化，是因为生产这种产品所需要一种原材料就是铂。通过科学家们的不断努力和研究，这项技术有了进一步的发展，从原来铂的使用量4mg/cm2降低到1mg，后来又降低到0.1mg。即使科学技术发展如此迅速，但如果真要对其批量生产的话，每一辆汽车所需要的铂的用量就是8mg。据统计，全世界的铂元素的储备量仅有大约几十吨，现在汽车的数量不计其数，这样来看，铂元素就太少了。这一点就提醒人们要进行新型材料和技术的研究，不使用铂元素。当前储氢材料主要有AB5或AB2，纳米碳储氢量达到了8％，而储氢量仅有2％。就算应用纳米碳，所携带8kg的氢气就要附带90kg左右的储氢材料，这还没有算上外壳的重量。

质子燃料电池的工作温度在80℃，固体氧化物电池的工作温度通常在1 000℃以上。通过这几年的研究和发展，工作温度有原来的1 000℃降到了800℃，现在又出现了新型的固体氧化物电解质，名称为SDC电解质，它所配置的燃料电池不需要使用贵重的金属来当催化剂的材料，可以直接使用碳氢化合物当燃料。所以说固体氧化物燃料电池的发展前景相对来说更加的好，对于聚合物电解质电池确实提出了挑战。

2 锂离子蓄电池的不断更新和发展

锂离子蓄电池在众多电池种类中脱颖而出，它的发展历史可以说是具有一定的传奇色彩。在其发展的过程中出现了LiCoO2，锂离子电池转变成为能够充电的充电电池，由于这种元素的出现直接改变了锂离子电池的命运，但是在被投入使用中才发现，由于其在充放电的过程当中电流的分布非常不均匀，特别容易造成锂金属表面结晶，导致这种能够反复充电使用的电池使用寿命较短。90年代初，日本人发明了碳储锂材料，使锂离子电池转变成为锂离子蓄电池，层状材料时锂离子蓄电池的基础。后来在使用的过程中又发现LiCoO2在充电和放电的过程当中体积会逐渐的变化，与负极材料同时发生收缩和膨胀，后来就又研制出了LiMn2O4材料，该材料能够在层状炭发生膨胀时进行收缩。但是它的缺点是容量没有LiCoO2这种材料大，但价格比较便宜。

还有一种材料就是LiNiXCo1-xO2，因为镍的价格比较便宜，但是容量比LiCoO2要大出20％以上。这种材料也存在着一定的问题，这种材料在使用化学工艺进行合成时，控制难度大，合成工艺复杂，出来的产品质量不够稳定，在充电高出电压范围时，它能够催化电解质。对于这些问题也出现了解决的办法。最新和合成制作工艺就是使用控制结晶法，首先合成NiXCo1-x（OH）2的前身，在应用固相反应法来进行LiNiXCo1-xO2的合成。容量能够稳定在180mAh/g之上。后序在进行表面的修饰，该产品的性能非常稳定。聚合物离子电池的问世轰动了全世界。通过物理方法能够直接制备出纳米合金，比如等离子溅射法，这种工艺本质是把金属转化成蒸汽然后进行冷却再形成固体，所消耗资源和损失都非常大。应用电化学法与机械学方法，就是在接近常温的环境之下，所合成的金属间的化合物。为了防止结晶现象的产生，对金属物体表面的处理要特别注意，是非常关键的工序。

3 材料化学的形成和兴起

把多种多样的电池材料进行总结和归纳，大概分成以下几大类：

1）氧化物，包含镍氢蓄电池和锂离子蓄电池的正极材料等，锂离子蓄电池氧化物负极材料与固体氧化物电解质，固体氧化物电池催化电极材料也都包含在内，这类型的氧化物的晶体结构要求非常的严格，植被合成方法工艺上也都有共同点。

2）碳素材料，包含锂离子蓄电池负极材料，硬碳和相微球碳，超级电容器中的纳米碳管，纳米碳管能够储氢材料，在未来很可能成为储氢技术领域的非常重要的材料。上述的这些材料，它们的化学成分都是碳，还有他们的化学改性工艺上也有着很多的相同之处。

3）合金材料，所说的就是镍氢蓄电池负极材料的储氢合金与锂离子蓄电池负极材料锡系的合金材料，后者所说的锡合金本质是一种储锂合金，合金材料形成金属氰化物，而锡合金则和锂形成了金属间的化合物，后者应该说是前者的继承人，因为在后者的发展中，都对前者在制备方法工艺，晶体结构，掺杂原则和化学改性等方面进行了学习和参考，为后者的发展提供了良好的基础和丰富经验。

4）聚合物材料，调整包含了质子燃料电池中所使用的质子交换膜和超级电容器之内所使用的聚合物电解质材料及锂离子电池之中的聚合物电解质。在铅酸电池和镍氢电池之中所使用的隔膜都要进行化学改性，但这项技术和专业就属于高分子物理与高分子化学的研究范畴了。

4 总结

我国在90年代初期开始进行研究镍氢蓄电池，燃料电池和锂离子蓄电池方面的工作，肩负着我国973计划和863计划的艰巨任务，通过不断的研究和努力取得了一定的成果。与此同时也对该专业人才的培养非常重视，在全国各高等院校当中，开设了研究生课程《材料化学》，并进行了一揽子的基础理论的研究，为建立材料化学专业提供有力的理论依据，为我国材料化学方向培养出高精尖的素质型人才。

Advanced Battery and Materials Chemistry

Li Zhi-jia，Peng Yu-xiu，Lyv Zhong-yang

To make advanced battery products must have high-quality raw materials to do the foundation，and high-quality raw materials come from，then you need special chemical methods and processes.Relatively speaking，the continuous development of the battery industry at the same time to promote the material chemistry of the technology development and progress.The application of material chemistry in battery manufacturing is introduced and analyzed.

advanced battery；material；chemistry

TM910.4

A

1003-6490（2016）08-0034-02

2016-07-30

李志嘉（1995—），男，辽宁葫芦岛人，本科在读，主要研究方向为涂装。