重庆大学：二次电池储能的电化学基础与发展前沿（110页）.pdf

1、二次电池储能的电化学基础与发展前沿二次电池储能的电化学基础与发展前沿李鸿乂李鸿乂 教授教授重庆大学重庆大学 国家镁合金材料工程技术研究中心国家镁合金材料工程技术研究中心2022-11-03CONTENTS目录1.二次电池的基本原理与分类2.二次电池的关键指标与测量方法3.典型二次电池锂二次电池4.锂二次电池的发展前沿5.锌离子电池的原理与发展现状6.钠离子电池的原理与发展现状7.镁二次电池的原理与发展现状8.结论与展望1.1 电极与电极电势电极表面距离电势金属表面与溶液本体之间的电势差即为电极-溶液界面电势Zn电极插入ZnSO4溶液1.2 原电池与电解池丹尼尔电池原电池定义：把化学能转变为电能

2、的装置形成条件：正极电极电势负极电极电池，电池电动势0正极：向外给出正电荷，自身发生还原反应（cathode）负极：向外给出负电荷，自身发生氧化反应（anode）电能化学能电解电池将电能转变为化学能的装置称为电解池阳极（anode）：氧化反应阴极（cathode）：还原反应原电池与电解池的互变是二次电池的电化学原型1.2 原电池与电解池超电势 度量电极电势偏离平衡电极电势的程度定义电极超电势=|极化曲线1.3 二次电池的工作原理组成：正极、隔膜、负极、电解液、外壳共同构成工作原理充电：负极得电子，还原反应，电流由负极流向正极充电电源电流e-正极隔膜负极放电：负极失电子，发生氧化反应，电流由正极

3、流向负极放电负载电流e-正极隔膜负极1.4 二次电池的分类二次电池（蓄电池/可充电池）+()+()+()铅酸电池：镍铬电池：A Az+ze-;B+ze-Bz-金属离子电池：+()()+镍氢电池：二次电池水系电池非水系电池铅酸电池镍铬电池镍氢电池金属离子电池有机电池金属离子电池1.4.1 铅酸电池电池组成负极电解液正极PbH2SO4PbO2汽车、小型电动机车的启动电源；飞机、坦克拖拉机等设备照明电源电极反应总:+铅板负极：Pb+SO42-2e-PbSO4放电二氧化铅正极：PbO2+4H+SO42-+2e-PbSO4+2H2O铅板负极：PbSO4+2e-Pb+SO42-充电二氧化铅正极：PbSO4

4、+2H2O-2e-PbO2+4H+SO42-用途1.4.2 镍镉电池电池组成负极负极电解液电解液正极正极CdNaOHNiO2电动工具、剃须器等便携式电器；无绳电话、电动玩具等。电极反应放电充电用途总:Cd+NiO2+2H2O Ni(OH)2+Cd(OH)2金属镉负极：Cd+2OH-2e-Cd(OH)2二氧化镍正极：NiO2+2H2O+2e-Ni(OH)2+2OH-金属镉负极：Cd(OH)2+2e-Cd+2OH-二氧化镍正极：Ni(OH)2+2OH-2e-NiO2+2H2O1.4.3 镍氢电池20世纪60年代末发现储氢合金1974年储氢合金开始作为二次电池负极1987年试生产镍氢合金1990年镍

5、氢电池商业化至今镍氢电池回收研究镍氢电池发展工作原理总反应:Ni(OH)2+M NiOOH+MHHOH-H2ONi(OH)2NiOOHNi(OH)2NiOOHHOH-H2O充电放电正极材料：球型Ni(OH)2；负极材料-储氢合金(MH)LiFePO41.4.4 锂离子电池以LiFePO4正极为例：充电:LiFePO4 xLi+-xe-xFePO4+Li1-xFePO4放电:FePO4+xLi+xe-xLiFePO4+Li1-xFePO4FePO4充电放电Li+运动方向：充电:正极 电解液 负极；放电:负极 电解液 正极；摇椅式电池PO4四面体FeO6八面体1.5 二次电池性能对比常见二次电池性

6、能比较电池体系组成环保性能电池电压（V）能量密度充电循环自放电率负极电解液正极Wh/kgWh/L锂离子电池碳LiPF6LiMn2O4或LiCoO2绿色环保3.6130-150350-4005008%铅酸电池PbH2SO4PbO2铅污染严重2.030-5050-80300-50020%镍镉电池CdKOHNiOOH镉污染严重1.250-60130-150400-60025%镍氢电池储氢材料KOHNiOOH环保1.260-70190-20050010%02二次电池的关键指标及测量方法2.1 二次电池的主要性能参数电池容量电池的容量由电池内活性物质数量决定，单位用毫安时(mAh)或安时(Ah)表示:1