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电池的原材料

易金 | 分享财经观点,深挖经济本质 2019/07/22 15:04

能源汽车的电池主要是利用化学电池,当然也不否认物理电池在未来会发光发热,特别是考虑到物理电池如太阳能可以实现实时的充电效果,未来还是非常可观的。但是就目前来看,太阳能电池的密度还不够,化学电池依然是新能源汽车电池的主要方式,因此本文重点阐述化学电池,最后简单介绍一下物理电池的材料情况。

新知达人, 电池的原材料

化学电池原材料

电池是由两个电极以及电极之间的电解质所构成的,因此电池的原材料也就涉及这两个方面:一方面是电解质的导电性能、离子的传输性能,参与反应的离子的平衡性能等;另一方面是电极的材料,包括电极的平衡性能以及极化性质。其一直要解决的问题无非是两个:一个是氧还原反应的速度和面积,另一个是电子的传输速度。

在电极中,给出电子发生氧化反应的电极,如丹尼尔电池中的Zn极,由于其电势较低,被称为负 极 ;而接受电子发生还原反应的一极,如Cu极,由于其电势较高,而称作正极。电势是促进电子流动的因素,两个电极的材料需要不一样才可以。

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按照电极的状态可以分为三类:第一类是金属或者气体电极如铜和锌;第二类是金属-金属难溶盐电极及金属-金属难溶氧化物电极如Ag-AgCl;第三类是氧化还原电极(参加反映的电极均在同一溶液中)。

以金属为例,铜和锌是最早被用于电极的材料;1859年,法国人Plante(普兰特)首次发明了实用的铅蓄电池,铅开始成为电池原材料中的一个重要的金属;1888年锌锰干电池步入商业化,锰作为一种新的电池原材料金属被应用;1899年瑞典人W.Jungner(杨格纳)发明了碱性镉镍蓄电池,镉和镍进入原材料;1901年 爱迪生发明镍铁电池铁开始被应用在电池中;1946年法国H.G.安德烈发明了碱性锌银蓄电池,银开始开始正式被纳入电池原材料;20世纪50年代,锂电池研究将锂纳入到原电池材料中来,并成为了电子时代电池原材料的主力,随后钴被引入到锂电池中用于提升电池效果。综上,电池金属原材料有铜、锌、铅、锰、镍、铁、银、锂、钴、锑、铝、钾、镁、锡、钛等。按照原材料来分,目前电池主要分为铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池等四大类。其中铅酸蓄电池由于成本低,安全性好,是目前应用最为广泛的电池,铅的需求量比较高,但是最具前景的是锂电池,因为其能量密度高顺应了小型化的趋势,铜、锂、钴、镍需求最为广泛。

在电解质原料中,固态电解质主要分为聚合物、氧化物和硫化物等,液态的电解质主要是强酸、强碱或者是可溶性的盐化物。

在负极材料中,目前主要的原材料有碳材料、过渡金属的氧化物、合金材料、硅材料及其他含硅材料。其中,碳材料包括石墨、硬炭、软炭、碳纳米管和石墨烯,已经被广泛商业化;硅材料包括硅负极和碳硅负极;过度金属的氧化物包括锂化物、锡化物等;

在隔膜材料中,目前主要以聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)为主的微孔聚烯烃隔膜为主,其上游主要是乙烯、丙烯、乙二醇等,属于化工基本原材料,重点是工艺。

3 物理电池材料

物理电池中主要指太阳能电池,把太阳能与N型和P型半导体彼此接触,吸收太阳辐射并形成空穴和电子,空穴和电子在移动过程中产生的电位差是形成电流。太阳能电池的最大问题在于如何在合理成本条件下提高太阳能的转化效率,其中太阳能电池的材料是关键。

新知达人, 电池的原材料

目前来看,从电池材料的角度来看,主要分为四种:1、硅太阳能电池;2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;3、功能高分子材料制备的大阳能电池;4、纳米晶太阳能电池。而硅在安全性、转化效率、成本以及稳定性上面占据较大优势,成为物理电池当前的主要材料。

太阳能电池是十分值得关注的重点,因为不管是锂电池还是其他的化学电池,都极度依赖于基础设施,需要有配套设施。假如极端情况下遭遇了战乱或者是自然灾害,那么电网必然会遭到重大破坏,从而会对经济和社会的稳定造成重大影响。而太阳能电池则可以很多的减少这种风险带来的后果。

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