电化学储能系统及其材料

《电化学储能系统及其材料》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、电化学储能系统及其材料吴宇平（复旦大学化学系新能源与材料实验室）电化学储能可以追溯到1859年勒克郎谢发明的铅酸需电池，160多年來该领域的发展非常迅速，从目前拟淘汰的磔-镉电池到钠硫电池、液流电池以及最近的锂离子电池、水溶液町充锂电池（简称水锂屯）和复合超级电容器。随着技术的发展，从小的芯片到现在的工厂以及将來人们的出行（电动汽车）、可再生能源的使用，无一不与储能密切联系在一起，每年的市场高达儿百亿元。在这里，将绘近的儿种绘新的电化学储能系统及其材料作一简单的介绍。锂离子电池锂离子电池诞生于1980年代末、90年代初，是在以金屈锂为负极的充电池的棊础上发展而來

2、的。由于在电化学氧化还原过程中，锂离子在正极和负极之间来回移动，因此称之为锂离子电池，简称“锂电”。负极材料基本上为石墨材料，正极材料包括钻酸锂、镒酸卽和三元材料。较以前的蓄电池体系而言，具冇诸多优点，如放电电压高、能量密度大、自放电低、无记忆效应、环境友好、循环寿命长。因此，自1995年人规模生产以來，其发展非常迅速，并推动了相关产业的发展。例如，将“人哥人”变成了当今的手机、数码相机、数码摄像机、笔记本电脑、MP3、MP4等便携电子产品的出现。锂离子电池目前基本用于手机、数码相机、数码摄像机、笔记本电脑、MP3、等便携式电子产品中山于其电压高于水的分解电压，

3、因此电解液为菲水的有机溶剂与锂盐溶液。这些有机溶剂在过充、短路等不良使用情况下很容易与正极材料发生反应，导致锂离子电池发生起火tt•至爆炸，因此必须提高其安全性能，并主要在以下方而进行改进：⑴将正极材料改成电压稍低、与电解液反应热小的LiFeP04,这也让LiFeP04成为目前非常热门的电动汽车材料。但是，仅仅在正极材料上进行改进还不可能大大改进安全性能，因为负极材料和电解液的不稳定因素依然存在。即使是国际上的权威大公司，其生产的大容量钾•离子电池在试车过程中也常常发生起火事故。因此，还必须在负极材料和电解质方面进行改进。⑵负极材料的改进是采用与锂反应热少的材料

4、如非金屈硅。目前国内外在此研究开发的比较多，但是工业化产品还没有。随着核/壳结构和纳米技术等方面的发展，新型负极材料即将面世。（3）将液体电解质改成固体聚合物电解质，其原理就如将液体酒粘改为固体酒粘。由于蒸汽压大幅度降低，液体电解质的泄漏不会发生，同时阻燃性大幅度捉高，不存在漏液、着火、爆炸等安全隐患。显然，固体聚介物电解质是未來大型动力储能装置如电动汽年的首选。否则安全隐患时刻存在，无法给消费者充分的信心，将成为电动汽车大规模推广的拦路虎。水锂电锂离子电池在人型的储能系统中，由于成本高，口对生产条件耍求高，因此迫切需要发展新型的低成本、易大规模生产的蓄电池体系

5、。由于水溶液的安全性能高，不会起火，离子导电率高，且成本也低，因此成为大型储能的首选。水锂池发明于1994年，但当时的循坏性能非常差，经过儿年的研究，进展不人。2007年复旦大学在此取得了大的进展，口此开辟了水锂电的新时代。国内外许多单位如美国斯坦福大学、日本九州大学、中国科技大学、中南大学等在此基础上相继开展了研发。目前，复旦大学在此领域居于世界领先地位，例如研制的屯极材料具有良好的储屯性能：100%D0D充放电1万次后，容量保持率为93%；以90C的高倍率放电，容量为标称的95%；以90C充电，亦达标称容量的76%；如果采用恒流恒压充电方式，2~3分钟就可以

6、将电池全部充满；功率密度可高达10000W/kg以上。随着在水锂电负极材料方面的探索和完善，水锂电将给电化学大规模储电产业带来一个惊喜。这将大大推动太阳能发电、风力发电、潮汐发电等可再生能源的发展。复合超级电容器电容器具有良好的大电流充放电性能，同时循环性能优良。但是，由于能量密度低，因此在许多领域的应用受到了限制，例如，目前上海的11路电动公共汽车无法跑远就是一个例亿在电容器体系中，有水溶液和冇机溶液两种体系。为了提高电容器的能量帑度Q,根据Q二1/2CV2,町以从电极材料的比电容C和工作电压V两个方面出发。但是，为了提高V,必须采用冇机溶液作为电解质。而冇机

7、电解质的离子导电率耍比水溶液低1〜2个数量级，且电极材料的比电容C在有机体系中将明显低于在水溶液体系中，因此采用水溶液体系可能还是较佳的选择；同时，功率密度与电阻成反比，这样在有机体系中也不易提高具有实用价值的功率密度。当一个电极用具冇氧化述原作用的电极収代，得到超级屯容益或电化学屯容益，能量密度得到了大幅度提高，例如C//Ni(0H)2、C//PbO2和C//Li1n2O4等。但是，超级电容器主要应用在人功率场合，而这些超级电容器只是在低功率下具有大的能量密度，随着功率的提高，容量衰减迅速，因此实用价值大打折扣。而在水溶液中，钠离子和钾离子的半径小于锂离子，

8、迁移速率要明显高于锂离子