苏州大学徐艳辉二次电池未发表章节未压缩版本

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1、第三章二次电池徐艳辉博士苏州大学化学电源研究所苏州市莫邪路688号，email:xyhsuda@gmail.com,xuyanhui@suda.edu.cn第1节绪论3.1.1二次电池分类二次电池又称为可充电池，英文是rechargeablebattery或者secondarybattery，主要包括可充碱锰（Zn-MnO2）电池，铅酸电池，镉镍电池，氢镍电池，金属氢化物-镍（MH-Ni）电池，锂离子电池等等，除此之外还有一些体系曾经是研究热点，但目前基本上已经被放弃了，如铁镍电池。表3.1.1列出了一

2、些二次电池体系的基本参数。二次电池分类方法有多种，文献将锂离子二次电池称为“摇椅式电池”，实际上金属氢化物-镍电池也属于“摇椅式电池”，知识其中的活性粒子不同而已，一个是质子，一个是锂离子。在表3.1.1所列电池中，金属氢化物-镍电池、氢镍电池和锂离子电池的电解液浓度不随电池荷电态发生变化，其余二次电池电解液浓度则与电池的荷电态有关系。“摇椅式电池”的电解液浓度与荷电态无关，是否是“摇椅电池”与电化学反应机理密切相关。这里对电极材料做类似分类，依据电化学反应机理，将电极材料分成“摇椅式电极材料”和“非摇

3、椅式电极材料”。对于“摇年椅式电极材料”而言，电极活性材料作为活性粒子的母体存在，在充放电过程中起着接纳活性粒子的作用，如NiOOH接纳质子，碳材料接纳锂离子，Li1-xCoO2接纳锂离子；对于氢镍电池，负极接纳质子的是钢瓶；MnO2也属于“摇椅式电极材料”，活性粒子是质子，不过可逆性较差。这类材料的特点是，活性材料颗粒表面与内部本体部分都参与电化学反应，与荷电态、充放电深度无关。对于“非摇椅式电极材料”，不存在“客体”与“母体”材料或粒子之分，参加反应的活性材料与未参加反应的活性材料位于不同的区域，与

4、“摇椅式电极材料”不同，在电化学反应中活性颗粒表面参与反应而内部处于“休息状态”。反应机理决定了这类材料的记忆效应比较大，这类电极材料包括Zn、Cd、Pb、PbO2、Li。原则上，所有电极材料均具有记忆效应。所谓的记忆效应指的是当电池或电极反复以某一个充放电深度循环数次以后，再改变充放电深度尤其是放电深度进行循环时，电池或电极不能释放更多的容量，而是自动的按照以前的循环方式进行，“拒绝”在新的充放电制度下工作。记忆效应的存在与活性电极材料微观结构、充放电循环中内应力的变化有关。3.1.2二次电池对材料的

5、基本要求二次电池的种类很多，但是基本结构类似，都包括正极活性物质（简称正极）、负极活*性物质（简称负极）、正极集流体、负极集流体、隔膜、电解液和外壳。每种电池对其组件材料都有特殊的要求，如锂离子电池要求隔膜在升温后具有关闭微孔的能力，这里首先总结一下所有二次电池对组件材料的基本要求。二次电池的基本特征由电解液和正极、负极共同决定，因此，在谈及对电解液的要求时是离不开对正极与负极的阐述的。作为二次电池的电化学体系，对正极/电解液/负极的基本要求包括：电话学反应可逆性高；电解液的电化学窗口尽可能的大，正

6、极电极电位与负极电极电位差也尽可能的大；*在某些场合，正极也指包括正极活性物质与正极集流体（可能还有粘结剂、导电剂等添加剂）在内的整个正极极板板。负极也是如此。1正极电极电位不能高于电解液电化学窗口的上限，负极电极电位不能低于电解液电化学窗口的下限；电解液、正极活性物质与负极活性物质的化学稳定性高；电解液尽可能具有环境友好等特性，如毒性尽可能的小；正负极活性物质的结构在充放电过程中的稳定性好；其它与价格相关的特性，如原材料成本低，制备与合成工艺简单。对正负极导电集流体的基本要求包括：质量轻、

7、导电率高，机械强度好，与活性物质可以很好的粘合；化学稳定性高，与电解液、被支撑的活性物质不发生反应；其它与价格有关的参数要求。对膈膜的基本要求包括：质量轻，机械强度好，与电解液浸润性好，非电子导体，有一定的弹性；孔隙率高，孔径均匀且易控制，容易加工；化学稳定性高，不与电解液、正负极活性材料、正负极集流体反应其它与价格相关的参数要求。对外壳的基本要求包括：机械性能好；非电子导体；与正负极活性物质、电解液不发生反应，兼容性好，化学稳定性好；易加工，易密封；与价格相关的其他性能要求。3.

8、1.3放电容量电池的放电容量涉及到正负极容量的匹配、电解液量、外壳与集流体的重量等等参数。在恒定电流条件下二次电池的放电曲线具有图3.1.1所示的形式[1]（恒定电阻放电时曲线类似）。图中虚线区域对应的时间是电池有效使用的时间，在放电初期与放电后期黑色区域对应的时间实际上是无效时间，在实际应用中这部分容量不能被利用。如果电池放电曲线平台很斜，那就意味着可供利用的容量占总容量的比例比较小。电池的充放电曲线要尽可能的平。最大充电截止电压不可用容