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二次電池科學與技術 版權信息
- ISBN：9787030702012
- 條形碼：9787030702012 ; 978-7-03-070201-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
二次電池科學與技術 本書特色
陳軍院士團隊傾力打造“新能源科學與工程教學叢書”之一
二次電池科學與技術 內容簡介
本書在闡明化學電源的基本概念和理論的基礎上，全面系統地介紹了各類二次電池，包括鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰-硫電池和鋰-空氣電池的電池組成、工作原理、制造技術和生產工藝，以及幾種電池的回收再利用技術。
二次電池科學與技術 目錄
目錄
叢書序
前言
第1章電池1
1.1電池基本概念1
1.1.1電池的歷史2
1.1.2電池技術的發展6
1.1.3電池的未來發展趨勢14
1.2電池種類19
1.2.1一次電池20
1.2.2二次電池20
1.3電池工作21
1.3.1放電21
1.3.2充電21思考題22
第2章電池的化學與物理原理23
2.1電化學23
2.1.1電化學的研究內容及研究對象23
2.1.2電池的熱力學原理26
2.1.3電極電勢與電池電動勢29
2.1.4電極過程36
2.1.5電化學測試方法46
2.2電池結構56
2.2.1電極56
2.2.2電解質61
2.2.3隔離物64
2.2.4其他組分65
2.3電池特性66
2.3.1電壓66
2.3.2電流67
2.3.3容量和比容量67
2.3.4能量和比能量69
2.3.5功率71
2.3.6放電深度71
2.3.7庫侖效率72
2.3.8電池內阻72
2.3.9循環壽命72思考題73
第3章鉛酸電池74
3.1概述74
3.2鉛酸電池的電化學原理74
3.2.1電化學反應74
3.2.2鉛-硫酸水溶液的電勢-pH圖77
3.3鉛酸電池的基本組成80
3.3.1板柵80
3.3.2二氧化鉛正極84
3.3.3鉛負極88
3.4鉛酸電池的制造工藝90
3.4.1板柵制造91
3.4.2鉛粉制造91
3.4.3鉛膏的配制92
3.4.4生極板制造93
3.4.5極板化成94
3.4.6電池裝配95
3.5閥控式鉛酸電池95
3.5.1VRLA電池的化學原理96
3.5.2VRLA電池的結構97
3.5.3VRLA電池的性能特征101
3.5.4VRLA電池的安全與操作106
3.5.5VRLA電池的應用與研究進展107
3.6鉛炭電池107
3.6.1鉛炭電池的結構和原理108
3.6.2鉛炭電池的負極和碳材料110
3.6.3鉛炭電池的正極活性物質111
3.6.4鉛炭電池的應用領域111
3.7鉛酸電池的發展方向112
3.7.1全固態鉛酸電池112
3.7.2基于可溶性Pb2+的液流電池112
3.7.3新型結構設計112
思考題113
第4章鎳氫電池114
4.1概述114
4.2鎳氫電池的組成114
4.2.1鎳正極114
4.2.2儲氫合金負極122
4.2.3儲氫合金的生產130
4.3鎳氫電池的工作原理137
4.3.1正極工作原理139
4.3.2負極工作原理143
4.3.3鎳氫電池的失效機制146
4.4鎳氫電池的結構類型150
4.4.1圓柱形結構150
4.4.2方形結構152
4.4.3其他結構153
4.5前景與展望154
思考題155
第5章鋰離子電池156
5.1概述156
5.2鋰離子電池的工作原理158
5.3鋰離子電池的工作特點159
5.4正極材料160
5.4.1層狀鈷酸鋰161
5.4.2尖晶石錳酸鋰163
5.4.3聚陰離子型材料165
5.4.4三元材料169
5.4.5富鋰材料172
5.4.6其他正極材料174
5.5負極材料176
5.5.1碳基材料176
5.5.2非碳基材料181
5.6電解質185
5.6.1非水液體電解質185
5.6.2電解質鋰鹽189
5.6.3電解質添加劑190
5.7全固態鋰離子電池192
5.7.1固態電解質193
5.7.2無機固態電解質194
5.7.3聚合物電解質196
5.7.4凝膠聚合物電解質197
5.7.5全固態鋰離子電池的電極材料199
5.8隔膜材料199
5.8.1鋰離子電池隔膜的制備方法200
5.8.2鋰離子電池隔膜的研究現狀202
5.8.3鋰離子電池隔膜的發展趨勢203
5.9鋰離子電池的結構及生產203
5.9.1卷繞式結構204
5.9.2疊層式結構204
5.9.3電池模組205
5.9.4鋰離子電池電芯組裝成組206
5.10鋰離子電池的研究現狀及展望207
思考題208
第6章鋰硫電池和鋰空氣電池209
6.1概述209
6.2鋰硫電池209
6.2.1工作原理211
6.2.2正極213
6.2.3隔膜218
6.2.4電解質219
6.2.5負極221
6.3鋰空氣電池222
6.3.1工作原理223
6.3.2正極225
6.3.3電解質228
6.3.4負極230
6.3.5固態鋰空氣電池231
6.3.6水系鋰空氣電池232
6.4總結與展望233思考題234
第7章二次電池的回收利用235
7.1鉛酸電池的回收利用235
7.1.1鉛酸電池報廢原理235
7.1.2回收技術235
7.1.3工藝現狀238
7.1.4總結239
7.2鎳氫電池的回收利用239
7.2.1機械回收法239
7.2.2火法冶金技術240
7.2.3濕法冶金技術241
7.2.4生物冶金技術241
7.2.5正、負極分開處理技術242
7.2.6廢舊鎳氫電池再生技術244
7.3鋰離子電池的回收利用244
7.3.1鋰離子電池回收現狀245
7.3.2鋰離子電池預處理245
7.3.3有價金屬提取過程246
7.3.4正極回收249
7.3.5石墨負極回收253
7.3.6電解質回收254
7.3.7結論及展望255
思考題256
參考文獻257
叢書序
前言
第1章電池1
1.1電池基本概念1
1.1.1電池的歷史2
1.1.2電池技術的發展6
1.1.3電池的未來發展趨勢14
1.2電池種類19
1.2.1一次電池20
1.2.2二次電池20
1.3電池工作21
1.3.1放電21
1.3.2充電21思考題22
第2章電池的化學與物理原理23
2.1電化學23
2.1.1電化學的研究內容及研究對象23
2.1.2電池的熱力學原理26
2.1.3電極電勢與電池電動勢29
2.1.4電極過程36
2.1.5電化學測試方法46
2.2電池結構56
2.2.1電極56
2.2.2電解質61
2.2.3隔離物64
2.2.4其他組分65
2.3電池特性66
2.3.1電壓66
2.3.2電流67
2.3.3容量和比容量67
2.3.4能量和比能量69
2.3.5功率71
2.3.6放電深度71
2.3.7庫侖效率72
2.3.8電池內阻72
2.3.9循環壽命72思考題73
第3章鉛酸電池74
3.1概述74
3.2鉛酸電池的電化學原理74
3.2.1電化學反應74
3.2.2鉛-硫酸水溶液的電勢-pH圖77
3.3鉛酸電池的基本組成80
3.3.1板柵80
3.3.2二氧化鉛正極84
3.3.3鉛負極88
3.4鉛酸電池的制造工藝90
3.4.1板柵制造91
3.4.2鉛粉制造91
3.4.3鉛膏的配制92
3.4.4生極板制造93
3.4.5極板化成94
3.4.6電池裝配95
3.5閥控式鉛酸電池95
3.5.1VRLA電池的化學原理96
3.5.2VRLA電池的結構97
3.5.3VRLA電池的性能特征101
3.5.4VRLA電池的安全與操作106
3.5.5VRLA電池的應用與研究進展107
3.6鉛炭電池107
3.6.1鉛炭電池的結構和原理108
3.6.2鉛炭電池的負極和碳材料110
3.6.3鉛炭電池的正極活性物質111
3.6.4鉛炭電池的應用領域111
3.7鉛酸電池的發展方向112
3.7.1全固態鉛酸電池112
3.7.2基于可溶性Pb2+的液流電池112
3.7.3新型結構設計112
思考題113
第4章鎳氫電池114
4.1概述114
4.2鎳氫電池的組成114
4.2.1鎳正極114
4.2.2儲氫合金負極122
4.2.3儲氫合金的生產130
4.3鎳氫電池的工作原理137
4.3.1正極工作原理139
4.3.2負極工作原理143
4.3.3鎳氫電池的失效機制146
4.4鎳氫電池的結構類型150
4.4.1圓柱形結構150
4.4.2方形結構152
4.4.3其他結構153
4.5前景與展望154
思考題155
第5章鋰離子電池156
5.1概述156
5.2鋰離子電池的工作原理158
5.3鋰離子電池的工作特點159
5.4正極材料160
5.4.1層狀鈷酸鋰161
5.4.2尖晶石錳酸鋰163
5.4.3聚陰離子型材料165
5.4.4三元材料169
5.4.5富鋰材料172
5.4.6其他正極材料174
5.5負極材料176
5.5.1碳基材料176
5.5.2非碳基材料181
5.6電解質185
5.6.1非水液體電解質185
5.6.2電解質鋰鹽189
5.6.3電解質添加劑190
5.7全固態鋰離子電池192
5.7.1固態電解質193
5.7.2無機固態電解質194
5.7.3聚合物電解質196
5.7.4凝膠聚合物電解質197
5.7.5全固態鋰離子電池的電極材料199
5.8隔膜材料199
5.8.1鋰離子電池隔膜的制備方法200
5.8.2鋰離子電池隔膜的研究現狀202
5.8.3鋰離子電池隔膜的發展趨勢203
5.9鋰離子電池的結構及生產203
5.9.1卷繞式結構204
5.9.2疊層式結構204
5.9.3電池模組205
5.9.4鋰離子電池電芯組裝成組206
5.10鋰離子電池的研究現狀及展望207
思考題208
第6章鋰硫電池和鋰空氣電池209
6.1概述209
6.2鋰硫電池209
6.2.1工作原理211
6.2.2正極213
6.2.3隔膜218
6.2.4電解質219
6.2.5負極221
6.3鋰空氣電池222
6.3.1工作原理223
6.3.2正極225
6.3.3電解質228
6.3.4負極230
6.3.5固態鋰空氣電池231
6.3.6水系鋰空氣電池232
6.4總結與展望233思考題234
第7章二次電池的回收利用235
7.1鉛酸電池的回收利用235
7.1.1鉛酸電池報廢原理235
7.1.2回收技術235
7.1.3工藝現狀238
7.1.4總結239
7.2鎳氫電池的回收利用239
7.2.1機械回收法239
7.2.2火法冶金技術240
7.2.3濕法冶金技術241
7.2.4生物冶金技術241
7.2.5正、負極分開處理技術242
7.2.6廢舊鎳氫電池再生技術244
7.3鋰離子電池的回收利用244
7.3.1鋰離子電池回收現狀245
7.3.2鋰離子電池預處理245
7.3.3有價金屬提取過程246
7.3.4正極回收249
7.3.5石墨負極回收253
7.3.6電解質回收254
7.3.7結論及展望255
思考題256
參考文獻257
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二次電池科學與技術 節選
第1章電池 1.1電池基本概念 電池是通過電化學氧化還原反應將化學能轉化為電能的裝置。電池中化學能向電能的轉化是基于電極上的自發氧化和還原反應，即負極發生氧化反應和正極發生還原反應。電極上同時發生電化學氧化、還原反應時，電子通過外電路從一極轉移到另一極，實現電能的釋放或存儲。 電池主要由負極、正極、電解質三部分構成。 (1)負極：在物理學中，正、負極是根據電子的流動方向規定的，即電子流出的電極為負極，電子流入的電極為正極。在電池放電過程中，負極發生氧化反應，失去電子，并將電子傳遞給外電路。 (2)正極：電池放電時，從外電路接受電子，發生還原反應的電極。 (3)電解質：在電池正、負極發生電化學氧化還原反應時，提供正、負離子定向移動的媒介。 在實際應用中，應選擇比容量高、電子導電性良好、穩定性好、安全性高、制備容易和成本低的電極材料。選擇質量輕、比容量高的電極材料可提升電池的能量密度。鋰是原子量*小的活潑金屬，具有*高的理論比容量，但是金屬鋰單質活潑性高，存在諸多安全隱患，不宜直接作為電池負極材料。因此，嵌入式電極材料，如碳等負極材料代替金屬鋰，在鋰離子電池中具有廣泛的應用前景。正極材料大多選用金屬氧化物、鹵氧化物、硫及硫氧化物等。電池所用電解質根據組成和物理狀態的不同可分為水溶液電解質、有機溶液電解質、熔融電解質、凝膠聚合物電解質和固體電解質等。通常根據不同的電池體系選擇合適的電解質。例如，一般電池采用酸、堿、鹽的水溶液為電解質，鋰離子電池一般采用非質子型有機電解質，熱電池采用熔融態的無機鹽作為電解質，某些電池采用在電池工作溫度范圍能夠進行離子導電的固體電解質。 在實際電池體系中，正極和負極應被隔開，防止內部短路，同時通過電解質實現離子的導通。因此，在電池中使用隔膜將正、負極隔離開，在防止內部短路的同時能夠保證電解質中的離子在正、負極之間自由傳遞。電池的一般結構如圖 1.1所示。 電池可以根據需求制作成不同結構和形狀，如扣式、圓柱形和方形。電池結構的設計應滿足簡單、攜帶方便、充放電操作簡易等特點。同時，為了保證使用安全，電池應采用合適的方式進行密封，防止電解質泄漏和干涸。 圖 1.1電池結構示意圖 1.1.1 電池的歷史 人類很早就對化學電源進行了探索，先后發明了鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池，直到 20世紀 90年代初實現了鋰離子電池的量產，隨后在人們日常生活中得到了廣泛應用，促進了社會生產力的發展。人們對能源的依賴性和需求量隨著社會的不斷發展而逐漸增大，因此對化學電源的能量密度、功率密度及轉換效率的要求也越來越高，促使人們不斷探索新的化學電源和能量存儲系統。 人類對電現象的認識存在已久。 1780年，意大利解剖學家伽伐尼 (Galvani)教授在解剖青蛙時偶然發現了生物電現象，并于 1791年發表了題為《關于電對肌肉運動的作用》的論文。他認為這種電是由動物本身的生理現象所產生的，將其稱為動物電。這一發現掀起了電流研究的熱潮，對電池的發明起到了極大的促進作用。 意大利帕維亞大學物理學教授伏特 (Volta)對伽伐尼的實驗進行了多次重復，仔細觀察后發現，電并不是產生于動物組織內，而是由于金屬或木炭的組合而產生的。伏特僅用不同的金屬相接觸，使用萊頓瓶及金箔檢電器進行試驗，發現在完全不使用動物組織的情況下，在接觸面上會產生電壓，稱為接觸壓。這種裝置可以同時使用幾種不同的金屬來提高實驗效果，但是無法產生連續的電流。 1799年，伏特發現用鋅片與銅片和含有鹽水的濕布疊成電堆能夠產生電流，因此該裝置被稱為“伏特電堆”，如圖 1.2所示。伏特把鋅片和銅片放在盛有鹽水的杯中，并把許多這樣的杯子串聯起來，組成電池以獲得更大的電流。為了紀念伏特發明的伏特電堆，人們將電動勢 (E)的單位命名為伏特(Volt)。 圖 1.2伏特電堆示意圖 1836年，英國科學家丹尼爾(Daniell)對伏特電堆的結構進行了改良。他將鋅和銅分別作為電池的兩極，采用鹽橋將兩種電解質溶液連通起來，解決了 H+與金屬鋅接觸而發生溶解反應的問題，從而制備出**個能保持穩定電流的銅鋅電池，如圖 1.3所示。鹽橋中陰、陽離子的遷移速率幾乎相同，如 K+和 Cl.的遷移率非常接近。當把鹽橋插入兩種濃度相差不大的電解質溶液中時，液接界面上的離子擴散主要由 K+和 Cl.決定，從而消除了液接電勢。隨著丹尼爾電池反應的進行，溶液中 c(Zn2+)升高， c(Cu2+)降低，在非標準狀態下的 E(Zn2+/Zn)增加，E(Cu2+/Cu)減小，*終 E(Zn2+/Zn) = E(Cu2+/Cu)，總反應為 Zn(s) + Cu2+(aq) =Cu(s) + Zn2+(aq)。此時，若在電池電解質 ZnSO4溶液中繼續加入適量 ZnSO4，在 CuSO4溶液中加水稀釋，則 c(Zn2+)升高， c(Cu2+)降低，Cu/Cu2+電極失去電子， Zn/Zn2+電極得到電子，發生的電極反應與丹尼爾電池反應剛好相反，總反應為 Cu(s) + Zn2+(aq) =Zn(s) + Cu2+(aq)，是一個非自發的氧化還原反應。丹尼爾電池隨著使用時間的延長電壓下降，當電池使用一段時間后，對電池進行充電，可使電池電壓回升，這種可反復使用的電池稱為蓄電池。 圖 1.3丹尼爾電池示意圖 鉛酸電池是化學電源中*早得到應用的蓄電池，被廣泛應用于生產生活中。從 1859年普蘭特 (Planté)發明鉛酸電池至今，已有 160多年歷史。*早的開口式鉛酸電池由于電解液的揮發和消耗，需經常向電池內加硫酸和水進行維護，但這不斷腐蝕周圍設備，且對環境造成嚴重污染。 20世紀 70年代，為了防止電解液損失，發明了閥控式鉛酸電池，并立即取代了傳統的開口式電池。由于其密封性強、對環境污染小，閥控式鉛酸電池成為產量*大的化學電源，并在之后很長時間內發揮著不可替代的作用，對于二次電池的發展具有重要意義。 1866年，法國工程師勒克朗謝 (Leclanche)研制出鋅 -二氧化錳電池，電解質為氯化鋅溶液，由于容量高且可以大電流放電而得到廣泛應用。勒克朗謝制造的電池雖然簡單、便宜，但是存在危險性，在 1880年被西博特 (Thiebaut)改進的鋅錳干電池取代。在這種鋅錳干電池中，負極合金棒用鋅罐代替，同時用作電池外殼，電解質為糊狀而非液體，與常見的碳鋅電池類似。 1888年，加斯納 (Gassner)成功研制出用途更加廣泛的鋅錳干電池，如圖 1.4所示。至此，鋅錳電池由鋅錳濕電池逐步發展為普通干電池和堿性鋅錳電池。為了提高環境安全及可持續性，鋅錳電池逐步向無汞電池和可充堿性電池方向發展。 1899年，瑞典科學家瓊格爾 (Jungner)發明了鎳鎘電池，其正極和負極分別由羥基氧化鎳和鎘組成，是一種堿性電池。鎳鎘電池具有輕便、循環壽命長、自放電率低、抗震、倍率性能優異、性能穩定等優點，但存在記憶效應，且鎘元素危害人體健康，后來逐步被鎳氫電池取代。 1901年，愛迪生 (Edison)發明了鎳鐵電池，并逐步實現了干電池的商業化生產和使用。鎳鐵電池以鐵粉為負極，羥基氧化鎳為正極，堿性水溶液為電解質。 圖1.4鋅錳干電池示意圖 縱觀 19世紀化學電源的發展，以下幾個時間節點具有重大歷史意義： 1839年格羅夫 (Grove)提出空氣電池原理； 1859年普蘭特發明鉛酸電池及電池組，隨后福爾 (Faure)在鉛酸電池中引入了涂膏式極板； 1882年塞倫 (Sellon)使用銻 -鉛柵板實現了鉛酸電池的商品化；1812年扎尼博尼 (Zaniboni)使用二氧化錳作為正極； 1844年雅各比(Jacobi)提出了以中性氯化銨水溶液拌砂作為電解質的方案； 1866年勒克朗謝提出鋅-二氧化錳電池； 1888年加斯納將干電池成功商品化。另一類就是燃料電池，早在 1801年丹尼(Dany)就對燃料電池做出了初步嘗試； 1839年格羅夫進行了氫氧燃料電池的研究； 1889年，蒙德 (Mond)和蘭格(Langer)等提出了燃料電池的概念。 19世紀電池理論的提出為 20世紀鋅碳電池與鉛酸電池商品化奠定了研究基礎。燃料電池、空氣去極化電池構想的提出為 20世紀電池的發展奠定了基礎，成為化學電源研究重點之一。 20世紀前葉，電池理論和技術發展比較緩慢。直到 20世紀 50年代后，研究人員在電池基礎理論和電極過程動力學研究方面取得了重大突破。隨著電池基礎理論的不斷充實、新型電極材料的開發及各類用電器的發展與廣泛使用，電池技術進入了快速發展時期。 1951年鎳鎘電池實現了密閉化。在電解質方面，1958 年哈里斯(Harris)提出在鋰一次電池中使用有機電解質。鎳鐵電池在 20世紀初就實現了商品化，但是由于電池性能不能充分滿足使用需求，逐漸退出了市場。鎳鎘電池在 20世紀初開始商品化，在 80年代發展迅速。但是電池中金屬鎘的使用帶來了嚴重的環境問題，因此逐漸被鎳氫電池取代。 鎳氫電池誕生于 20世紀 70年代，并于 20世紀 90年代商業化。鎳氫電池以 Ni(OH)2 作為正極活性物質 (稱為氧化鎳電極 )，以金屬氫化物作為負極活性物質，電極活性物質也稱儲氫合金 (電極稱為儲氫電極 )，電解質為 6 mol L.1氫氧化鉀溶液。鎳氫電池的工作原理如圖 1.5所示。鎳氫電池、鎳鎘電池和一次電池具有相近的工作電壓，但能量密度更高，環保性更好。因此，鎳氫電池可以大規模替代鎳鎘電池和一次電池，廣泛應用于電動工具、便攜式電子設備等領域。通常電極極片的制備工藝主要分為燒結式、拉漿式、泡沫鎳式、纖維鎳式及嵌滲式等，不同工藝制備的電極在容量、大電流放電性能上存在較大差異，一般根據使用條件采用不同的工藝生產電池。民用電池大多由拉漿式負極、泡沫鎳式正極組成。 圖 1.5鎳氫電池的工作原理示意圖 隨著經濟全球化進程的加快和化石燃料的大量使用，環境污染和能源短缺的問題日漸突出。發展風、光、電等可持續再生能源可有效減少化石燃料使用帶來的環境污染，構建新型高效儲能系統，實現可再生能源的合理配置及調節，對于提高資源利用率、解決能源危機具有重要戰略意義。然而，風能、光能等新型能源具有間隙和隨機性，難以獲得穩定的電能，阻礙了其進一步應用。如何使風能、光能轉化為電能并平穩輸出成為當下亟待解決的難題之一。在眾多儲能技術中，鋰離子電池因其高的能量轉換效率被廣泛關注。在如今網絡化、信息化、數字化的時代，鋰離子電池在手機、筆記本電腦等便攜式移動設備中起著不可或缺的作用。 鋰離子電池作為發展*快的化學電源之一，具有能量密度高、循環性能好、自放電率低、無記憶效應和綠色環保等優點，是目前*具發展前景的二次電池。 1991年，索尼公司實現了可充電鋰離子電池的商業化生產，鋰離子電池開始逐漸進入人們的視野。 1995年，人們對鋰離子電池進行改進，采用凝膠聚合物電解質為隔膜和電解質，設計出聚合物鋰離子電池，并于 1999年實現商品化。電池的使用范圍已經由 20世紀 40年代的手電筒、收音機、汽車和摩托車的啟動電源發展到現在的四五十種用途，小到電子手表、移動電話、照相機等，大到拖船、拖車、電動自行車、電動汽車等電動工具，風力發電站用電池，導彈、潛艇和魚雷等軍用電池，以及可以滿足各種特殊要求的專用電池等。電池已成為人們生活中必不可少的便捷儲能裝置。近年來，鋰離子電池廣泛應用于航空航天領域，如在無人機、地球軌道飛行器、民航客機等航空航天器中。隨著信息技術、新能源汽車及航空航天等戰略性新興產業的發展，鋰離子二次電池需要具備更高的安全性和更高的能量密度。 在所有儲能類型設備中，鋰離子電池具有種類多、技術更新快、體積小、反應速度快、攜帶方便等特點。同時，鋰離子電池具有豐富多樣的儲能方式，這些因素也造成了不同電池之間的巨大差異性。與傳統鋅銀電池、鉛酸電池相比，新
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