(7.1)--化学电源的发展及应用-天大.pdf

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1、2中国电子科技集团公司第十八研究所中国电子科技集团公司第十八研究所建于1958年，是我国第一个化学与物理电化学与物理电源源综合研究所，研制和生产出锂离子电池、锂原电池、锌银电池、铅酸电池、热电池、镉镍及氢镍电池、太阳能电池、温差制冷组件等50多个系列、1000多个品种规格的产品。先后为我国多个领域提供了高质量、高水平的配套电源。中国化学与物理电源行业协会、化学与物理电源国家重点实验室、信息产业部化学与物理电源产品质量监督检验中心以及六个化学与物理电源的专业学术机构均挂靠在十八所。3化学电源的发展及分类4能源的产生与存储能源的产生与存储储能电站-电池组5能源需求能源需求6化学电源化学电源是直接把

2、化学能转换为电能的装置，是一个能是直接把化学能转换为电能的装置，是一个能量存储器件量存储器件 1789 1789 原电池原电池 1800 1800 伏打电堆伏打电堆 1833 1833 法拉第定律法拉第定律 1836 1836 丹尼尔丹尼尔 电池电池 1859 1859 铅酸电池铅酸电池(普兰特普兰特)1868 1868 勒克朗谢电池（勒克朗谢电池（ZnZn-C C）1883 1883 氧化银电池氧化银电池 1887 1887 干电池干电池(SakizoSakizo YaiYai)1888 1888 干电池干电池(Carl(Carl GassnerGassner)1891899 9 镍镉镍镉电

3、池电池 1 1901901 镍铁镍铁电池电池 1942 1942 汞电池汞电池 1951 1951 密封镍镉电池密封镍镉电池 1960 1960 燃料电池燃料电池 1973 1973 锂锂(金属金属)电池电池 1990 1990 镍镍-金属氢化物金属氢化物电池电池 1991 1991 锂离子电池锂离子电池 1995 1995 锂离子聚合物电池锂离子聚合物电池1960s 1960s 锌锰电池产业化锌锰电池产业化1970s 1970s 燃料电池、锂硫化铁燃料电池、锂硫化铁电池、铅酸电池快速电池、铅酸电池快速发展发展1980s 1980s 镉镍电池、锂原电池镉镍电池、锂原电池实用化实用化1990s

4、1990s 锂离子电池实用化锂离子电池实用化7化学电源化学电源也称为一次电池，可也称为一次电池，可直接使用直接使用，不能用电学方法进行充电，使用完毕直接，不能用电学方法进行充电，使用完毕直接废弃。废弃。原电池原电池-军用军用+民用民用蓄电池蓄电池-军用军用+民用民用燃料电池燃料电池-军用军用+民用民用也称为二也称为二次电池次电池，放电之后通过反向电流充电重新获得能量，通过，放电之后通过反向电流充电重新获得能量，通过反复充反复充放电实现循环使用放电实现循环使用是一种能量转换装置，原电池是一种能量转换装置，原电池的工作原理，内燃机的工作方式，通过连续的工作原理，内燃机的工作方式，通过连续供给燃料实

5、现长期工作。供给燃料实现长期工作。超级超级电容器电容器-军用军用+民用民用是一种兼具电容和电池特性，比是一种兼具电容和电池特性，比物理电容器能量密度大、比蓄电池功率密物理电容器能量密度大、比蓄电池功率密度大的储能器件。度大的储能器件。贮备贮备电池电池-军用军用激活方可使用，且只能一次性使用，因贮存期间电解质不与电极直接接触激活方可使用，且只能一次性使用，因贮存期间电解质不与电极直接接触而具有超而具有超长贮存寿命。长贮存寿命。8原 电 池锌锰、碱锰干电池锌锰、碱锰干电池-传统传统，广泛使用，广泛使用锂锰、锂二氧化硫、锂亚硫锂锰、锂二氧化硫、锂亚硫酰氯电池酰氯电池-成熟，成熟，7070多个规格多个

6、规格产品，军民两用产品，军民两用锂氟化碳电池锂氟化碳电池-逐步逐步实用化，实用化，小型化民用，大型化军用小型化民用，大型化军用900Wh/kg900Wh/kg（WhWh/L/L）第三代第三代锂空气电池、锂水电池锂空气电池、锂水电池-基础基础研究（更高比能量）研究（更高比能量）第四代第四代第二代第二代第一代第一代只能使用只能使用一次一次，可以长时间荷电存储，可以长时间荷电存储，不需要不需要维护维护或者激活，最大的优点是或者激活，最大的优点是比能量比能量高高，广泛广泛应用应用于军民各个领域于军民各个领域。原电池原电池10正极正极材料材料比容量比容量（Ah/gAh/g）电池反应机理电池反应机理（和锂

7、反应）（和锂反应）开路电开路电压（压（V V）理论比能量理论比能量（WhWh/kg/kg）SOSO2 20.4190.4192Li+2SO2Li+2SO2 22Li2Li2 2S S2 2O O4 43.13.111701170SOClSOCl2 20.450.454Li+2SOCl4Li+2SOCl2 24LiCl+S+SO4LiCl+S+SO2 23.653.6514701470MnOMnO2 20.310.31Li+MnLi+Mn4+4+O O2 2MnMn3+3+O O2 2(Li(Li+)3.53.510051005(CF)(CF)n n0.860.86nLinLi+(CF)+(CF

8、)n nnLiF+nCnLiF+nC3.23.221802180锂原电池锂原电池开路电压高，比能量高，贮存寿命长（开路电压高，比能量高，贮存寿命长（1010年）年）11民用包括：设备存储器、智能水电表、民用包括：设备存储器、智能水电表、心脏起搏器、汽车胎压监测等心脏起搏器、汽车胎压监测等锂原电池的应用锂原电池的应用12Philae航天器Foton M3航天器ISS自动运载飞船2014年欧航局登陆彗星进行探测的航天器Philae搭载1000Wh的锂-亚硫酰氯电池。SAFT的锂-二氧化锰原电池应用于国际空间站（ISS）中的自动运载飞船（ATV）上。其比能量高达250Wh/kg，体积能量密度高达50

9、0Wh/L。Foton M3搭载了高比能的锂-亚硫酰氯电池，保障6.535kg重的太空舱超过10天的微重力实验任务。国际锂原电池在航天领域的应用国际锂原电池在航天领域的应用13蓄 电 池14蓄电池：蓄电池：也也称为二次电池，放电之后通过反向电流充电重称为二次电池，放电之后通过反向电流充电重新获得能量，通过反复充放电实现循环新获得能量，通过反复充放电实现循环使用。使用。铅酸电池：（铅酸电池：（-）PbPb|H|H2 2SOSO4 4|PbO|PbO2 2（+）镉镍电池：（镉镍电池：（-）Cd|KOH|Cd|KOH|NiOOHNiOOH（+）氢镍电池：（氢镍电池：（-）H H2 2|KOH|KOH

10、|NiOOHNiOOH（+）锌银电池：（锌银电池：（-）Zn|KOH|AgZn|KOH|Ag2 2O O（+）金属氢化物镍电池：（金属氢化物镍电池：（-）MH|KOH|MH|KOH|NiOOHNiOOH（+）锂离子电池锂离子电池 锂二次电池锂二次电池 液流电池（钒电池）液流电池（钒电池）钠硫电池等钠硫电池等20192019年诺贝尔化学奖获奖人：年诺贝尔化学奖获奖人：约翰约翰BB古迪纳夫古迪纳夫、MM斯坦利斯坦利威廷汉和吉野彰威廷汉和吉野彰，表彰表彰他们在锂离子电池发展上他们在锂离子电池发展上所所做做的工作的工作。约翰约翰BB古迪纳夫被称为古迪纳夫被称为“锂离子电池之父”“锂离子电池之父”MM斯

11、坦利斯坦利威廷威廷汉提出了汉提出了基于基于“锂嵌入”的物理运动结构“锂嵌入”的物理运动结构吉野彰吉野彰锂离子电池锂离子电池的发明者的发明者2019.10.9钴酸锂（LCO）1980年磷酸铁锂（LFP）1997年CoOLiPOLiFe正极反应负极反应总反应锂离子电池的电化反应方程式锂离子电池在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，产生了电流，该反应具有高度的可逆性，被形象地称为“摇椅电池”（Rocking Chair Batteries）。锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理18层状结构尖晶石结构橄榄石型结构Li2MnO3+LiMO2LiNixCoyMnzO（NCM333,523

12、,622,811,NCA）LiMn2O4LiMn1.5Me0.5O4LiFePO4LiMePO4正极材料正极材料19LiLi4 4TiTi5 5O O1212硬碳（硬碳（HCHC）软碳（软碳（SCSC）石墨（人造和天然）石墨（人造和天然）中间相碳微球（中间相碳微球（MCMBMCMB）碳材料碳材料金属氧化物材料金属氧化物材料合金材料合金材料硅基和锡基复合材料硅基和锡基复合材料负极材料负极材料20锂离子电池结构锂离子电池结构21锂离子电池应用锂离子电池应用Wh便携电源kWh EV&HEVMWh大型储能电站2223金属锂二次电池金属锂二次电池以金属锂为负极的可充电电池以金属锂为负极的可充电电池金属锂

13、克容量金属锂克容量3860mAh/g3860mAh/g，电位，电位-3.04V3.04V无理正极：无理正极：S S，TiSTiS2 2，VSVS2 2，CrSCrS2 2，V V2 2O O5 5，MnOMnO2 2等等含锂正极：含锂正极：NCMNCM、NCANCA等锂离子正极材料等锂离子正极材料LiLi-S S电池电池获得更高比能量获得更高比能量400Wh/kg400Wh/kg2420102010年年，350Wh/kg350Wh/kg锂锂硫电池应硫电池应用用于高空于高空太阳能无人机太阳能无人机“Zephyr 7”Zephyr 7”，无人机，无人机连续飞连续飞行行1414天天2222分钟分钟8

14、 8秒秒、破晓高度、破晓高度12192m12192m，成为锂硫成为锂硫电池实用化电池实用化的的技术标杆。技术标杆。2018.7.112018.7.11-8.58.5，空空客客Zephyr Zephyr S S无无人机，创造了飞行人机，创造了飞行了了2525天天2323小小时时5757分钟新纪录，分钟新纪录，破晓破晓高度高度17982m17982m，二次电池达到，二次电池达到430Wh/kg430Wh/kg25为什么要发展全固态锂电池？为什么要发展全固态锂电池？Ipone手机电池爆炸手机电池爆炸电动汽车锂电池燃烧电动汽车锂电池燃烧波音飞机锂电池冒烟波音飞机锂电池冒烟锂离子电锂离子电池引发的池引发

15、的安全事故安全事故！即使采用当前最高的制造水准，锂离子电池即使采用当前最高的制造水准，锂离子电池的安全隐患依然不能完全避免的安全隐患依然不能完全避免26Li+ChargeDischargeCathodeAnodef更高比能量更高比能量更高安全性更高安全性更好循环性更好循环性固态电池固态电池27固态电池的安全性固态电池的安全性28燃 料 电 池29负载阳极阳极阴极阴极氢气支撑/集流/扩散层催化层eeH+H+H氧气电解质催化层支撑/集流/扩散层H2O阳极反应：H2 2H+2e-H2+2OH-2H2O+2e-电池反应：H2+1/2O2 H2OH+CO32-O2-阴极反应：2H+2e-+1/2O2 H

16、2O1/2O2+H2O+2e-2OH-OH-燃料电池基本原理燃料电池基本原理302019/12/24正极反应物负极反应物+-正电极负电极+-燃料(反应物)氧化剂(反应物)其它电池燃料电池能量存储设备反应物保存在电池本身存储的反应物用完后，停止发电能量转换设备需要提供反应物，燃料保存在燃料电池之外只要提供燃料和氧化剂，就能供电燃料电池与其他电池的不同燃料电池与其他电池的不同31燃料电池的应用燃料电池的应用322009 年美国使用气态氢作为燃料进行了首飞，续航时间达到了24 小时。2011年使用液态氢作为燃料，续航时间超过48 小时，燃料电池系统的能量密度大于1400Wh/kg。2012年12月，

17、由同济大学航空航天与力学学院、上海奥科赛共同研制的中国第一架纯燃料电池无人机“飞跃一号”续航时间2小时。使用1千瓦质子交换膜燃料电池作为动力。2016年5月24日，众宇的Hylite1200在新疆创造了3小时30分钟的野外飞行记录。在海拔4280米的高原地区进行飞行试验，飞行时间2h。33游艇。船德国与欧盟于德国与欧盟于2006 2006 年共同实施了年共同实施了EUEU-Life Life 项目，项目，并建造了世界上第一艘燃并建造了世界上第一艘燃料电池游船料电池游船-“AlsterwasserAlsterwasser”号，该游船于号，该游船于2008 2008 年年8 8月在德国汉堡的月在德

18、国汉堡的AlsterAlster 湖湖上进行了首航，载客量超过上进行了首航，载客量超过100 100 人，一直载客运行人，一直载客运行至今至今。34金属空气电池金属空气电池是一种特殊的燃料电池，也称为是一种特殊的燃料电池，也称为金属半燃料电池金属半燃料电池，以锌、铝、镁、，以锌、铝、镁、锂等金属为燃料与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能，锂等金属为燃料与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能，其其壳壳体是非密闭的，便于空气中的氧气进入电池内部发生反应，具有较体是非密闭的，便于空气中的氧气进入电池内部发生反应，具有较高的比能量。高的比能量。20172017年年9 9月，汶川地震时中科院大化所的镁

19、空气电池展月，汶川地震时中科院大化所的镁空气电池展示优势：示优势：10W10W的的LEDLED灯工作灯工作3030天，或为天，或为200200只手机充电只手机充电35超 级 电 容 器36超级电容器超级电容器电电性能介于物理电容器和性能介于物理电容器和化学化学电池之间电池之间。主要分为双电层电容和法。主要分为双电层电容和法拉第赝电容。拉第赝电容。具有具有高功率密度高功率密度，充电充电速度快，速度快，超超长循环寿命、宽工作温区等优点。长循环寿命、宽工作温区等优点。与与蓄蓄电池并联使用，电池并联使用，可可满足储能供电满足储能供电系统系统高功率脉冲的需求。高功率脉冲的需求。理论比能量高：可达160W

20、h/kg，是传统超级电容器的30倍。理论比功率高：可达100kW/kg，是锂离子电池的100倍。循环寿命长:可达数万次石墨烯电容技术石墨烯电容技术利用利用石墨烯的高比表面和表面官能团实现对离子的快速吸附、大幅度提高石墨烯的高比表面和表面官能团实现对离子的快速吸附、大幅度提高电容性能。负极为碳材料、正极功能化石墨烯，构成一个全碳结构的储能电容性能。负极为碳材料、正极功能化石墨烯，构成一个全碳结构的储能装置。兼具高能量密度和高功率密度。装置。兼具高能量密度和高功率密度。38贮 备 电 池39贮备电池贮备电池贮备贮备电池：电池：贮备期间，活性物质不与电解质直接接触或电解质不导电，使用时注入贮备期间，

21、活性物质不与电解质直接接触或电解质不导电，使用时注入电解液或电解质熔化，从而使电池具有电解液或电解质熔化，从而使电池具有活性，因此具有很长的活性，因此具有很长的贮存寿命贮存寿命。其主要。其主要用用于短时间内需要提供高功率的场合。于短时间内需要提供高功率的场合。锌银贮锌银贮备电池备电池也称为激活式锌银电池，电解也称为激活式锌银电池，电解液在存储器中单独放置，使用液在存储器中单独放置，使用时注入电池舱时注入电池舱海水激海水激活电池活电池以海水为电解质，平时干态储存，使用时海水灌入电池舱浸湿电极以海水为电解质，平时干态储存，使用时海水灌入电池舱浸湿电极，激活，激活电池开始工作。包括镁氯化亚铜电池、镁

22、氯化银电池、铝氧电池开始工作。包括镁氯化亚铜电池、镁氯化银电池、铝氧化银电池、铝过氧化氢电池化银电池、铝过氧化氢电池等等美国大青花鱼号潜艇自第美国大青花鱼号潜艇自第4 4次改次改装开始使用锌银电池装开始使用锌银电池正极：正极：2AgO+H2AgO+H2 2O+2eO+2e-AgAg2 2O+2OHO+2OH-AgAg2 2O+HO+H2 2O+2eO+2e-2Ag+2OH2Ag+2OH-负极：负极：Zn+2OHZn+2OH-Zn(OH)Zn(OH)2 2+2e+2e-Zn+2OHZn+2OH-ZnO+HZnO+H2 2O+2eO+2e-40热电池热电池贮存时电解质为不导电贮存时电解质为不导电固体盐类，固体盐类，使用时使用时通过通过本身自带的加热系统中的加热本身自带的加热系统中的加热剂燃烧使电解质剂燃烧使电解质熔融成离子型导体而熔融成离子型导体而激活。贮存寿命长、瞬时激活。贮存寿命长、瞬时输出功率高、环境适应性强输出功率高、环境适应性强。正极：过渡组金属硫化物，如正极：过渡组金属硫化物，如 FeSFeS2 2、CoSCoS2 2等等负极：负极：LiLi的合金，的合金，LiLi-Si Si、LiLi-B B等等电解质：主要是卤素系列锂盐电解质：主要是卤素系列锂盐