新能源材料及其在电池中的应用

崔博翔，刘艳红，牛鹏斌

（山西大同大学 山西 大同 037000）

1 引言

新能源材料是一种具有能量存储转换功能的新型材料，对新能源技术的发展有着重要作用，尤其是在电池领域的应用更是日新月异。新能源材料的使用将直接提高新能源系统的工作效率，且大部分能源电池都是在新能源材料发现后才得以被研发应用，可以说新能源材料直接影响着新能源电池的发展与应用。随着环保可持续材料逐渐成为时代的潮流，新能源材料的研究也越发受到国家的重视与社会的关注。新能源材料的研究是一个漫长的过程，但在全体科研人员的共同努力下，以新能源材料为基础的新能源领域势必在未来发挥出更多的价值，对我国社会经济的可持续发展有着不可忽视的重要作用。

2 锂离子电池

我国现已成为世界锂离子电池材料的出口大国，目前我们使用的各类信息产品有很多便是使用的锂离子电池来为其提供电力，如手机、相机等。随着新能源汽车的出现与推广，锂离子动力电池在其中也得到了充分的使用。锂离子电池也在被使用的过程中日益成熟，且具有十分广阔的应用前景，其具体表现为：安全性的提升、能量功率的提高以及使用寿命的延长等，但锂离子电池的实际使用还有许多不足，这就需要研究人员不断进行深入研究[1]。如何有效降低电池生产成本以及提高电池的稳定性都是锂离子电池的研究目标，而优质电池正负极材料的开发则是实现上述目标的重要方法，对电池生产成本的控制也有着重要意义。

3 正极材料

锂离子电池正极材料的比容量要远远小于负极材料，这同样也是锂离子电池容量较小的主要原因，所以对正极材料进行改善就显得迫在眉睫，如何有效提高电池正极的比容量成了锂离子电池研究的一大难题。LiCoO2是构成传统锂离子电池正极的主要材料，而LiMn2O4、LiFePO4以及各种其他的以锂镍钴锰氧化物为原材料的正极材料也在研发与完善中。当锂离子电池被大规模用于人们生活用品的制造中时，LiCoO2便被当成电池的正极材料而被使用，反应方程式为xLi+Li1-xCoO2+xe-=LiCoO2。其自身有着充放电效率高、可循环实用等优点，但抗热性不高是其最大的劣势，当充电电压上升时往往就会造成自身安全性能的下降，这也是以LiCoO2为正极材料的锂离子电池在应用时所必须注意的。和LiCoO2相比，以LiMn2O4为正极材料要更为安全，且价格也更为廉价，这也使其在动力电池中得到了较为广泛的使用。LiMn2O4的热稳定性虽然较好，但在3V镀金过度嵌锂时容易向四方结构发生转变，造成电化学性能的下降，所以常在LiMn2O4中加入适当的金属离子或其他阴离子来提高循环稳定性，比如Li++LiMn2O4+e-=Li2Mn2O4。LiFePO4同样是一种新型的正极材料，脱嵌可逆性是其一大特色，但在实际生产环节中，二价铁离子极易氧化成三价铁离子，这时便需要采取一定的抑制手段，最常见的便是通入惰性气体，再加上LiFePO4的导电能力较低，需要额外材料的添加方能达到使用标准，这些种种环节都使得LiFePO4的制作工艺复杂，生产成本也较高，这也是LiFePO4无法得到大规模广泛使用的重要原因。锂镍钴锰氧化物的合成主要先通过共沉淀法来进行初步的制作，之后再与锂盐进行高温烧结，这种生产工艺已经逐渐成熟，现以形成专业的生产线。用锂镍钴锰氧化物来取代LiCoO2不仅能起到降低成本的作用，更能提高电池的安全性，然而锂镍钴锰氧化物也有着材料表面积大，加工性能不佳的缺点[2]。由此可见，每种正极材料都各有优劣，所以有关正极材料的研究仍需继续进行，这对锂离子电池进一步发展有着重要意义。

4 负极材料

碳质材料是传统锂离子电池的主要负极材料，但近年来有关锂离子电池负极材料的研发工作正如火如荼进行，许多新型负极材料被研发出来并得到了应用，如锡基材料硅化合物与Li4Ti5O12等。锡氧化物的首次容量较大，但首次充放电易因氧化而产生较大的不可逆容量，严重影响接下来的使用。另外，在充放电的过程中材料的体积也会变大，极易对材料的结构造成损坏，最终使得电池的循环性能降低。为了减少该现象的发生，研究人员研发了由B2O3或P2O5复合而成的新材料，利用其惰性来减少材料体积的变化，从而提高了锡氧化物的循环性能。至于不可逆容量较大问题，研究人员则通过活性组分与惰性组分形成的化合物来对其进行了有效解决，但这类化合物的制备难度较大，所以并没有得到大范围的推广。Li4Ti3O12是一种可嵌锂电极材料，具有放电稳定、首次充放电不形成SEI膜等特点，且Li离子的扩散系数大。然而Li4Ti3O12也有着容量小、导电性不佳等缺点，这就使得许多研究者加强了有关Li4Ti5O12的研究，如通过掺杂、复合等技术对其进行优化，这些改良方法除了能够提高材料的单方面性能，还能使Li4Ti3O12的结构发生些许变化。有关Li4Ti3O12的制作目前主要有固相合成与凝胶两种方法，其中固相合成容易形成规模性生产，但易发生团聚现象，造成实际材料的性能出现下滑；凝胶法则可以精细地制造出Li4Ti3O12，但制取难度较大且成本也大幅升高[3]。常见的制备方法为用盐酸酸浸钛铁，将得到的滤液进行水解，将水解得到的沉淀与双氧水氨水进行反应，之后再加入氢氧化锂进行过滤，最后将得到的沉淀进行高温煅烧即可得到Li4Ti5O12。具体反应流程见图1。

图1 Li4Ti5O12的制备

5 轻质高容量储氢材料

储氢合金的工作原理便是利用合金来可逆地与氢形成氢化物，通俗来讲就是氢分子被分解成氢原子并进入了金属中，以达到储存的目的。然而储氢合金在储氢的过程中同样会不断膨胀收缩，从而使得合金受到一定程度上的破坏，这便要求储氢合金要有一定的延展性。稀土系储氢合金有着易活化、氢压适中等优点，以往传统的储氢材料主要是由AB5型稀土系储氢合金构成，然而这类储氢材料的储氢效率十分有限，随着目标储氢质量分数的调高，必须研究出新型的高容量金属氢化物储氢材料。对此，北京有色金属研究总院成功研制出了AB2型Ti-Cr基储氢合金，其具有成本低、效率高、可循环使用等多种优点，具有良好的发展前景。为了进一步利用合金来提高其储氢性能，研究人员采用了取代的方法来对其进行了全面优化，如用Zr来取代Ti，用Fe来取代Cr，用稀土元素Ce来减少杂项的析出。除此，还有近年来发现的金属有机物储氢，其由金属离子与有机配体组成，有着多样的孔道，在常温与较宽的压力范围内就可使用，利用溢出可以使得存储量大幅提高，是一种具有良好前景的全新储氢材料。

6 固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池的工作环境通常在800～1 000 ℃下，这就给材料的选择进行了极大的限制，经过实验表明，如果能将工作环境稳定在400～600 ℃，那么就能实现固体氧化物燃料电池的迅速关闭或启动，从而获得更为广泛的应用。但固体氧化物燃料电池若想在低温中运行，就要满足以下两个要求：首先要将薄膜形YBZ设为电解质材料，从而有效降低电解质厚度，实现固体氧化物燃料电池在低温中运行的目的；其次就是要开发新型的固体电解质材料，并注意电极材料的匹配度。固体氧化物燃料电池的内重整可以得到H2与CO，之后H2与CO便会在阳极发生化学反应，最终生成H2O与CO2，且整个反应会放出热能与电能，反应见图2。

图2 固体氧化物燃料电池的反应方程

内重整不仅有效提高了反应效率还进一步降低了生产成本，但需要注意的是直接进行内重整会造成Ni阳极上出现沉淀，进而对电池的工作效果造成影响，这就要求阳极必须要有一定的抗积碳能力，这同样也是阳极材料选择时所需遵守的重要原则。

7 镍氢动力电池

镍氢动力电池是我国较强的高科技产品之一，有着很强的竞争力，有关镍氢动力电池的研究一直以来便受到国家的高度重视，我国也同样成了镍氢电池的第一生产大国。其充放电化学反应如下。

正极：Ni（OH）2+OH-=NiOOH+H2O+e-

负极：M+H2O+e-=MHab+OH-

总反应：Ni（OH）2+M=NiOOH+MH

注：M：氢合金；Hab：吸附氢；反应式从左到右的过程为充电过程；反应式从右到左的过程为放电过程。

随着镍氢动力电池生产技术的日益成熟，其已成功在各种混合动力汽车得到了广泛使用，且随着市场需求的增多，我国各相关公司也组建了更大的镍氢动力电池生产线来保证其在市场上的供应[4]。时至今日，我国在负极储氢合金方面已经取得了一定的成就，其中热力学对材料的电催化活性进行了有效提高，新材料在合金方面的研究也取得了较大进展，主要表现为电容量的提升，且电荷转移的阻抗较低，但循环稳定方面还有一定缺陷。我国在质子交换膜燃料电池的研究领域投入极大，主要是燃料电池发动机方面，使得镍氢动力电池得到了有效的优化并实现了稳定批量的生产。

8 核用锆合金

在锆合金的使用中Zr-2与Zr-4合金是较为成熟的两种，其中Zr-2被用于制作沸水堆包壳材料，而Zr-4则用于重水堆包壳材料的制作，Zr-4合金的使用历史悠久且使用范围更为广泛。为了更好增强Zr-4合金的各项性能，使其可以跟上时代发展的脚步，许多国家都开展了Zr-4合金的优化研究工作，其主要优化方向为耐腐蚀性的提高，通过Sn含量的降低与Fe、Cr含量的升高并采用适当的工艺来改善其组织结构，进而得到了改进型Zr-4合金，其耐腐蚀性得到了有效加强。但在实际的使用中发现改进后的Zr-4合金仍无法满足时代发展的需要，所以有关Zr-4合金的改善工作仍在继续，对此外国研发了新型Zr-Nb系合金，在兼备耐腐蚀性的同时还有较好的抗吸氢能力且耐高温性也十分出色。我国西北有色金属研究院等单位应核电发展的要求，对Zr-4合金进行了研究，并自主开发了N36合金极其制备技术。我国自主研发的Zr-4合金已经成功用于秦山核电站的建设中，并取得了较好的应用效果，但核级锆合金的加工体系与国外的一些发达国家还有着一定差距，主要表现在：新锆合金的开发跟不上核电站的发展需求，许多新型材料还处于研究阶段，且缺乏相关的试验数据；国产核级海绵锆的供不应求严重影响着锆材的生产，且生产过程中存在着较多的环境隐患，不利于可持续发展与环境保护理念的落实；锆管生产的流程中还存在一些细节上的问题，对实际产品的质量与寿命都会产生一定影响。所以科研是永无止境的，我们能做的就是尽可能地扩大优势来对劣势进行弥补，或是直接缩小劣势以得到更为广泛的应用，这也是我国新能源材料研究一直有所进展的重要原因。

9 结语

新能源的开发与研究是可持续发展理念实现的重要保障，而新能源材料的研究又是新能源开发的重要环节。在新能源的发展历程中，新型电池的应用与研究一直是新能源发展的重点，对能源利用率的提高与环境的保护都有着重要意义。新能源材料的研究还有很长的路要走，相信在未来新能源材料以及电池的研究势必会取得更高的突破，进而为国家的发展与社会的进步贡献出更多的力量。