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了解电池的材料科学我们天天使用

Subir保罗^*

冶金和材料工程系、Jadavpur大学、印度加尔各答

*通信:: Subir保罗冶金与材料工程系,Jadavpur大学,加尔各答,印度,传真:913324572185;电子邮件: (电子邮件保护)

收到:07年4月,2017;接受:09年6月,2017;发表:2017年6月16日

引用:保罗·s·理解材料科学我们每天使用的电池。Res Electrochem牧师。2017;8 (1):105。

文摘

发展现有的和新的电池研究推力迎接挑战的全球需求增长的存储能源以更低的价格。这种发展的路线是通过材料和更好的理解电化学现有的电池,所以新开发高精力充沛的电极材料来提高电池的性能在使用和创新的新类能源存储系统。本论文讨论的根本电化学电池的设计、工作原理和材料现有的小学和充电电池与强调新纳米材料电极

关键字

阳极;阴极;细胞潜能;极化;纳米合成电极;电化学

介绍

电池是一种储存电能,产生的化学物质能源通过在阳极和阴极电化学反应转换。理论上的半电池电位阳极和阴极反应决定电池的开路电池潜在。所以正确的选择的两个半电池电位表1的第一步是设计一个电池。细胞的潜力可以得到的方程。

减少半反应,酸性溶液	Eo, V
F₂(g) + 2 e^{- - - - - -}→2 F - (aq)	2.866
O₃(g) + 2 h⁺(aq) + 2 e^{- - - - - -}→O₂(g) + H₂O(左)	2.075
年代₂O₂^{2 -}(aq) + 2 e^{- - - - - -}→2₄^{2 -}(aq)	2.01
H₂O₂(aq) + 2 h⁺(aq) + 2 e^{- - - - - -}→2 h₂O(左)	1.763
MnO₄——(aq) + 8 h⁺(aq) + 5 e -→Mn^{2 +}(aq) + 4 h₂O(左)	1.51
恶唑₂(s) + 4 h⁺(aq) + 2 e^{- - - - - -}→Pb^{2 +}(aq) + 4 h₂O(左)	1.455
Cl₂(g) + 2 e^{- - - - - -}→2 cl - (aq)	1.358
Cr2O₇^{2 -}(aq) + 14 h⁺(aq) + 6 e -三价铬(aq)→2 + 7 h₂O(左)	1.33
MnO₂(s) + 4 h⁺(aq) + 2 e^{- - - - - -}→Mn^{2 +}(aq) + 2 h₂O(左)	1.23
O₂(g) + 4 h⁺(aq) + 4 e -→2 h₂O(左)	1.229
2输入输出₃——(aq) + 12 h⁺(aq) + 10 e -→我₂(s) + 6 h₂O(左)	1。2
Br₂(左)+ 2 e^{- - - - - -}→2 br - (aq)	1.065
没有₃——(aq) + 4 h⁺(aq) + 3 e -→没有(g) + 2 H₂O(左)	0.956
Ag) + (aq) + e -→Ag (s)	0.8
菲₃+ (aq) + e -→铁₂+ (aq)	0.771
O₂(g) + 2 h⁺(ag) + 2 e^{- - - - - -}→H₂O₂(aq)	0.695
我₂(s) + 2 e^{- - - - - -}→2 i - (aq)	0.535
铜₂+ (aq) + 2 e^{- - - - - -}→铜(s)	0.34
所以₄^{2 -}(aq) + 4 h⁺(aq) + 2 e^{- - - - - -}→2 h₂O (l) +₂(g)	0.17
Sn₄+ (aq) + 2 e^{- - - - - -}→Sn₂+ (aq)	0.154
S (S) + 2 h⁺(aq) + 2 e^{- - - - - -}→H₂年代(g)	0.14
2 h⁺(aq) + 2 e^{- - - - - -}→H₂(g)	0
Pb₂+ (aq) + 2 e^{- - - - - -}→Pb	-0.125

表1。标准电极(减少)的潜力。

equtaion (1)

例如,如果一个电池是用:

Pb(阳极)/ H₂所以₄/ PbO₂(阴极)

一个人可以写的半电池反应表1,这样在增加,电子无效,如下考虑:

阴极:恶唑₂(s) + 4 h⁺(aq) + 2 e^{- - - - - -}→Pb₂+ (aq) + 4 h₂O (l) E = + 1.455伏特

阳极:Pb→Pb₂+ (aq) + 2 e^{- - - - - -}E = + 0.125伏特

总反应:恶唑₂(s) + Pb + 4 h⁺Pb (aq) = 2₂+ (aq) + 4 h₂O E = + 1.85伏特

如果半电池电位不是可用的文学,预期的潜在细胞可以从下列方程。免费的能源ΔG,整体反应有关的细胞潜在E,由方程。

ΔG = nfe (2)

其中n是没有。每一半电子参与细胞反应和F是法拉第96500库仑。例如,如果细胞Mg阴极和Cl₂阳极可以形成,细胞可能会获得如下:

E =(591.8×1000) /(2×96500) = 3.06伏特(ΔG MgCl₂形成是-591.8 kJ / m (表2)。

物种	阶段(重要)
氯化铝	固体
氯化镁	固体
氧化锰(IV)	固体
硅	固体
氟化钠	固体

表2。免费的能源一些化合物的生成。

同样的,如此高的潜在的电池可以用硅或其他活性金属,但需要制定这样的电池电化学科学与技术。但电池的设计需要,这样的反应是电化学不是化学;阳极和阴极反应是由一个分隔符分开,如膜的电子从阳极的氧化是通过外部负载运输的阴极去完成这个电子在阴极还原反应。当前由电池取决于许多因素:c electrocatalytic的电化学性能能源材料,阳极和阴极;电极表面积和电解质的电导率。

基本的电化学在电池

电池由一个或多个电化学细胞在系列。细胞取决于以下组件的性能和参数。

1。阳极和阴极。

2。电解质和溶剂。

3所示。分隔符。

4所示。细胞的潜力。

5。电池电流。

6。能量。

阳极和阴极

一个好的阳极材料应该快速电化学氧化的电催化性能以及良好的导电性,低极化电阻,化学稳定性和防腐性能。阴极材料在另一方面应该有能力迅速捕获和传输电子和高氧化还原电位低极化电阻。阳极和阴极材料的普通电池所示表3。但是新的高精力充沛electrocatalytic材料正在开发。发现了一些氧化物和金属合金表现出良好的电催化性能。材料,如CoTi [1),PbO₂(2),TiO₂(3)和β-MnO₂(4]显示应用程序非常令人鼓舞的结果燃料电池电极。

纳米材料电极:在上级electrocatalytic属性纳米级广泛由于纳米材料相比有相对大的表面积相同质量的材料中产生更大的形式。纳米材料提供额外的电极表面积电子和离子运输路径长度较短,因此反应利率上升的可能性。

作者和他的团队发现,纳米材料非常高精力充沛的电催化电极的表面。保罗et al。5- - - - - -7),产生MnO₂和MnO₂纳米碳电极电合成生产清洁能源通过一个燃料细胞,用葡萄糖作为燃料。纳米复合金属氧化物,ZnO-Al₂O₃由保罗et al。8表现很好的电催化能源材料为葡萄糖燃料电池电极。有一些作品基于镍合金电极。Nano-coated镍基合金,保罗等人,也被调查了便宜燃料电池的电极能源应用程序(9,10]。

据报道,稀土氧化物CeO₂与阳离子空位+ 3、+ 4之间的状态,是一种氧电极催化表面,因此增强了电极反应。因此,CeO₂金属电极已经被多次报道提高electro-oxidation属性(11- - - - - -14]。

集电器

如果没有一个阳极或阴极导电固体板/片但颗粒或金属氧化物或化合物,然后电流收集器放置到颗粒电极材料接收或交付电子从阳极或阴极分别。一个阳极收集器,负极,接受电子发布的阳极氧化在anode-electrolyte接口。阴极收集器,正极,接受电子从阳极到阴极的外部负载,通过放电反应cathode-electrolyte接口。

电解质和溶剂

电解质离子水或无水的化合物,是一种常见的阴离子或阳离子与阴离子或阳离子的电极反应。它必须有良好的离子电导率及其离子能够很容易地分离到。溶剂也是另一个电解质的离子化合物可以溶解。它是高离子电导率。在碱性环境KOH水溶液为许多电池和是一个很好的溶剂燃料细胞。非水溶剂,如有机液体条件下当水可能需要以电解分解为氢和氧。

分隔符

这些电极必须隔开,常常沉浸在电解质,允许通过离子在电极之间。电极材料和电解质的选择和安排,以便充分的电动势(以伏特)和电流(安培测量)的终端之间可以开发一个电池灯,机器,或其他设备。从一个电极只包含有限数量的化学单位能源可转换电能,由此可见,一个给定大小的电池只有一个特定的设备和操作的能力最终会耗尽。电池的活性部分通常是装在一个盒子覆盖系统(或夹克),保证空气外面和里面的电解液溶剂,为大会提供了一个结构。

电解液分离器是必要的。分离器的电影是浸泡在电解液,在地方举行。一个分离器应该高电解质渗透率和低空气磁导率,低细胞电阻率;合适的孔隙度(大约40%)孔隙大小足够小,防止住所/阴极产品;良好的润湿性的电解液吸收和保留;良好的化学、热尺寸稳定性;高击穿和抗拉强度。应该是一个电子绝缘体,最低电解质电阻高电化学活性的环境。他们要么做成床单和组装与电极或沉积到电极上原位。

例子:聚乙烯、聚丙烯。

细胞的潜力,E-cell

阳极反应在anode-electrolyte接口是一个电化学氧化的半电池电位在标准状态下是E⁰_一个。的阴极反应cathode-electrolyte接口是一个还原反应与一个标准的半电池电位E⁰_c。

电池的开路标准电池潜在给出:

equtaion (3)

但如果反应物和产物不是在标准条件下,细胞可能是发现的能斯特方程如下。

总反应,包括两个半电池阳极和阴极的反应为:

equtaion (4)

让我们举一个例子锌/ Cl₂电池:

阳极:锌=锌^{+ 2}+ 2 E E⁰_一个= 0.76 v

阴极:Cl₂+ 2 e = 2 cl^{- - - - - -}E⁰_c= 1.36 v

总体:锌+ Cl₂= ZnCl₂E⁰_细胞= 2.12 v

equtaion

如果Cl的压力₂是1 atm和ZnCl吗₂是纯物质,锌^{+ 2}在1摩尔浓度在T = 298 K RT / F 0.059伏特。
E_细胞= 2.12 - -0.0285 ln (1/0.1) (5)

方程(2)和(3)给开路细胞的潜力。使用表1,一个可以找到另一个阳极和阴极的组合。

Onload潜在

细胞可能通过方程(2)减少,目前+ ve和负终端连接通过一个外部负载由于极化的电极、过电压所代表的大小?和细胞的内部阻力。

净细胞可能是由方程(6)。

equtaion (6)

在哪里?在阳极和阴极总过电压,R是电解液电阻率,我经常通过细胞。
过电压有两部分活化极化?_行为和浓差极化?_反对
因此,

吗?= ?_行为+ ?_反对(7)

过电压由于活化极化?_行为:它是由塔费尔方程如下:

吗?_行为=±β日志(我/我₀)(8)

β是塔费尔的斜坡,我呢₀是交换电流密度。

阳极反应

吗?_行为= +β_一个日志(我_一个/我₀)(8.1)

过电压由于浓差极化?_反对

阴极反应

吗?_年代= -β_c日志(我_c/我₀)(8.2)

的浓度降低物种在阴极附近的电解质随停滞不前扩散障碍,称为能斯特扩散层。米的浓度^{+ +}从本体溶液离子死亡向metal-solution接口。在阴极电子的速度运送的速度远远大于扩散对电极表面的离子。离子的浓度极化出现由于某,减少电子在阴极等。当离子在电极表面的浓度为零,这是极限情况和极化方法负无穷(图。1)。当前这种情况是极限电流密度对应iL (9,10]。

图1:示意图显示材料和内部建设Zn-Carbon电池。

equtaion (9)

equtaion (9.1)

equtaion (9.2)

我_l= DnFC_B/ d (10)

所以网络细胞可能是由方程(11)和也是示意图所示图。1。

equtaion (11)

所以得到高细胞潜在的能量,因此,所有的过电压方面在上面的方程中通过开发高electrocatalytic电极材料,阳极和阴极,低电解液电阻R。

给出当前(我),

equtaion (12)

在R_l外部负载

G =能量= IE_细胞,净h =安培×××电压小时=瓦时(13)

电极材料消耗和特定的能量

所以具体的能源,

G_sp=(即_细胞,净×h) / M (14)

其中M的总质量是在阴极阳极消耗和产品产生。

主要和次要的电池

电池是大体上分为两组:(1)主电池和(2)二次,或可充电电池。主电池被设计成使用直到电压低运行一个给定的设备,然后丢弃。二次电池有很多特殊的设计特点,以及特殊材料的电极,这允许他们重组(充电)。

部分或完全放电后,他们可以充电电压直流(DC)的应用。原来的状态通常是没有完全恢复,失去商业电池/充电周期,只有一小部分1%甚至在不同的条件下。

电池用途有限,不仅容量也可以得出当前速度。电解质溶液的盐离子选择必须能够移动速度不够快通过电极之间的溶剂进行化学物质等于电机的速度需求。电池性能的限制扩散内部的化学物质以及能力。

碳锌电池

图。2示意图显示,电池的材料的建筑的细节。

图2:示意图显示材料和内部建设Zn-Carbon电池。

阳极:锌-0.4% + 0.2 Pb(腐蚀抑制剂+形成)+ 0.03% - 0.06%的Cd(耐腐蚀+强度)

阴极:MnO₂(可怜的导电性)+炭黑(导电性和保湿)

电解质:

1。NH 26.0%₄Cl + 8.8% ZnCl₄H + 65.2%₂O(低pH值)+ 0.25% - 1%的锌腐蚀抑制剂

2。15% - 40% ZnCl₂H + 85% - 60%₂O + 0.02% - 1%的锌腐蚀抑制剂。

电解液的腐蚀抑制剂可能Hg + HgCl₂(对环境)或Ga, Bi, Sn。抑制剂用于预防锌腐蚀ZnCl₂。

阴极电流收集器:碳棒。

阳极电流收集器:锌可以。

分隔符:淀粉糊。

论文反应:

阳极:锌=锌^{+ +}+ 2 e

阴极:2 mno₂+ 2 e = Mn₂O₃+ O²

总反应:锌+ 2 mno₂=氧化锌+锰₂O₂E_细胞= 1.5伏特- 1.6伏特

碱性MnO₂电池

电池的建设已被证明图。3。

图3:示意图显示材料和碱性MnO的内部建设₂电池。

阳极:锌粉、高表面积。

阴极:活动电解MnO高70% - 90%₂(EMD) + 2% - 10%碳(电子导体)+ 0% - 1%的粘合剂(可选)。

电解液:35% - 52% KOH水溶液。

EMD是由电解分解如下:

锰^{+ +}+ 2 h₂O = MnO₂+ 4 h⁺+ 4 e

反应:

阳极:锌+ 2哦^{- - - - - -}=锌(哦)₂+ 2 e

阴极:2 mno₂+ 2 e + H₂O = 2 mnooh⁺2哦^{- - - - - -}

总反应:锌+ 2 mno₂=锌(哦)₂+ 2 mnooh

E_细胞= 1.5 V - 1.6 V

锌氧化银电池

图。4示意图显示,电池的材料的建筑的细节。

图4:示意图显示材料和锌,氧化银电池的内部建设。

阳极:锌

阴极:氧化银

电解液:氢氧化钾

反应:

阳极:锌+ 2哦^{- - - - - -}=锌(哦)₂+ 2 e

阴极:Ag)₂O + 2 e + H₂O = 2 ag) + 2哦^{- - - - - -}

总反应:锌+ Ag)₂O + H₂O = 2 ag) +锌(哦)₂

锌空气电池

电池所示的建设图。5。

图5:示意图显示材料和锌-空气电池的内部建设。

阳极:锌

阴极:电催化金属氧化物和贵金属

电解液:KOH溶液

反应:

阳极:锌+ 2哦^{- - - - - -}=锌(哦)₂+ 2 E E⁰= 1.25 v

阴极:½O₂+ H₂O + 2 e = 2哦^{- - - - - -}E⁰= 0.40 v

总体:锌+½O₂= 2 ag) +氧化锌E_细胞= 1.65 v

可充电电池

铅酸性电池

电池所示的建设图6。。

图6:示意图显示材料和内部建筑的铅-酸电池。

阳极:纯铅状况软海绵。

阴极:导致过氧化。这是深棕色的,易碎的物质

电解液:稀硫酸、水:比酸= 3:1。

反应(放电)

阳极:恶唑₂(s) + HSO汽车贸易公司⁻⁴(aq) + 3 h⁺(aq) + 2 e−→PbSO₄(s) + 2 h₂O (l) E0 = 0.356 eV

阴极:恶唑₂(s) + HSO汽车贸易公司⁻⁴(aq) + 3 h⁺(aq) + 2 e−→PbSO₄(s) + 2 h₂O (l) E0 = 1.685

总体:Pb (s) + Pbo₂(s) + 2 h₂所以₄(aq)→2 pbso4 (s) + 2 h₂O (l) E_细胞在1米= 2.041 V酸浓缩的,298 K

阴极:导致过氧化(PbO₂)填充到Pb网格

阳极:海绵铅(Pb)

电解液:迪勒H₂所以₄水:酸= 3:1

放电:H₂所以₄水解H₂所以₄= H⁺+ HSO汽车贸易公司^{4 -}

在阴极(Pbo₂)

恶唑₂(s) + 3 h⁺+就是HSO4^{- + 2 e = PbSO₄(s) + 2 h₂O}

阳极:Pb

Pb (s) +就是HSO4^{- = PbSO4 (s) + H⁺+ 2 e}

因此,阴极和阳极板块成为PbSO4在卸货。

整体Pb + Pbo₂+ 2 h₂所以₄→2 pbso4 + 2 h₂O

充电:使用外部直流供应,电池充电。当然,在充电过程中,氧化还原反应相反。
带正电的氢离子(阳离子),移动到电极(阴极)与直流电源的负极。这里每个H⁺离子需要一个电子,变成氢原子。这些氢原子然后攻击PbSO4形成铅和硫酸。

在阴极(以前阳极放电期间):

PbSO4 (s) + H⁺+ 2 e = Pb (s) +就是HSO4^{- - - - - -}

在阳极(以前阴极放电期间):

PbSO4 (s) + 2 h₂O = Pbo₂(s) + 3 h⁺+就是HSO4^{- + 2 e}

所以,充电后PbSO4在阳极和阴极转换回Pb和Pbo₂分别。

在放电操作,产生酸和水的使用。负责操作期间,水消耗和酸产生是因为硫酸密度比水,一种广泛使用的技术检查电池的电荷状态测量电解液的比重。实际的后果之一是,您可以衡量完全充电电池是通过测量电解液的密度使用比重计。

硫酸铅(PbSO4)是白色的颜色。

在卸货期间,

1。这两个板块PbSO4覆盖着。

2。硫酸溶液的比重下降,由于在Pbo反应中形成的水₂盘子里。

3所示。因此,反应速率下降这意味着板块之间的电位差卸货过程中减少。

因此由铅酸蓄电池充电电池,

1。硫酸铅阳极被转化为过氧化导致。

2。硫酸铅阴极转化为纯铅。

3所示。终端;潜在的细胞的增加。

4所示。的硫酸比重增加。

镍镉电池

图。7示意图显示,电池的材料的建筑的细节。

图7:示意图显示材料和镍镉电池的内部建设。

阳极:镉

阴极:氧化镍

电解液:KOH

当镍电池操作,Cd光盘离子在阳极氧化和不溶性Cd (OH)组成。NiO减少镍离子进一步与哦离子结合形成镍(哦)。它产生的电压为1.4 V。

阳极:Cd (s) + 2哦= Cd (OH) (s) + 2 e

阴极:NiO (s) + 2 h₂O + 2 e =倪(OH) (s) + 2哦

总体细胞放电:Cd (s) + NiO (s) + 2 h₂O Cd(哦)(s) +倪(OH) (s) +能量

充电:Cd(哦)(s) +倪(OH) (s) +能量= Cd (s) + NiO (s) + 2 h O

的镍氢电池

镍镉电池是被更高的性能的镍氢电池所取代。电池所示的建设
图8。。

图8:示意图显示材料和内部建设的镍氢电池。

阳极:金属氢化物(包括V、钛、镍和其他金属)

阴极:镍的氢氧化物(NiOOH)

电解液:KOH

阳极:MH⁺哦^{- - - - - -}= M + H₂O + e

阴极:NiOOH⁺H₂O + e =倪(哦)₂+哦^{- - - - - -}

整体单元:NiOOH⁺MH充电/放电倪(哦)₂+ M E_细胞= 1.2 v

Ni(哦)₂有2个多态形式α- Ni(哦)₂和β- Ni(哦)₂。在阳极MH种M和H⁺这是电化学氧化H₂o .金属合金能够可逆氢吸附/解吸电池是骑车。金属氢化物应该氢吸附/解吸能力以及高集中KOH溶液中腐蚀抵抗氧化。

锂离子电池

李拥有很低电负性和表示电子最容易形成正离子。标准电池的潜力为3.045 V。它与高潜力和重量轻能源密度使它优越的可充电电池。然而,李树突形成的一个严重的问题在其表面充电/放电。为了避免这个问题,而不是使用纯,是金属氧化物之间插入条所示图9。。阴极是李LiCoO等过渡金属氧化物₂,LiNiO₂,或描写₂O₄石墨阳极。

图9:示意图显示材料和内部建设的镍氢电池。

电解液:KOH

阳极:MH⁺哦^{- - - - - -}= M + H₂O + e

阴极:NiOOH⁺H₂O + e =倪(哦)₂+哦^{- - - - - -}

整体单元:NiOOH⁺MH充电/放电倪(哦)₂+ M E_细胞= 1.2 v

锂离子电池

阳极:石墨

阴极:LiCoO₂或LiNiO₂,或描写₂O₄

电解液:1米LiPF6dissolved有机溶剂的混合物,碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯(1:1(体积比)。

阳极反应:xLi(石墨)= xLi⁺+ xe

阴极反应:xLi⁺+ xe + LiCoO₂= Li1 + xCoO₂或xCo4⁺+ xe = xCo3⁺

放电/充电

整体单元:xLi + LiCoO₂↔Li1 + xCoO₂E_细胞= 3.0 v

现有的电池性能

电池的性能是决定好的细胞潜在的1.5 - -3.5伏,高提供电流,因此具体能源(啊/公斤或啊/ l),好没有循环的充放电最低能源排水。不同的电池的性能示意图所示图10。。

图10:比较具体的能源不同的小学和可充电电池。

见过的所有电池实际的具体能源获得远小于理论具体的能源。损失能源是由于一个或多个以下效果:

1。阳极和阴极极化电压阳极和阴极反应。

2。高氢过电压在阴极。

3所示。高氧在阳极过电压。

4所示。高红外高电解质电导率的下降。

5。限制可逆反应在阳极和阴极电极保持特定的收费数以百计的充电和放电周期。

尽量减少能源损失,需要开发新的高精力充沛的电极材料。有大量的元素和化合物的选择可能有用的组合电池。纳米材料提供额外的电极表面积电子和离子运输路径长度较短,因此反应利率上升的可能性。作者和他的团队发现,纳米材料非常高精力充沛的电催化电极表面(6- - - - - -10]。作者保罗,Jana partners和Mondal [11- - - - - -18)取得了合成清洁电力能源从不同的生物燃料,使用这些纳米材料电极在高精力充沛燃料细胞。

除了上述因素有经济因素考虑商业化,低电极材料和制造工艺成本,廉价的电解质,操作在室温或室温以上,完全密封的与环境友好。

发展现有的电池

研究开发这些电极材料可以提高电池的性能。氧化物材料可以取代现有电池纳米结构材料。纳米材料提供额外的电极表面积电子和离子运输路径长度较短,因此反应利率上升的可能性。它已经被作者和他的团队发现MnO (5 - 8)₂^{- - - - - -}纳米碳电极显示优秀electrocatalytic属性和成本也不高。研究人员和工程师在电池行业可能会进一步工作alkakine MnO₂和Zn-C电池。Nano-coated Ni-Co合金合成和研究作者表现出优良的电化学性能的电池能源应用程序(9,10]。材料表现出低极化电阻和高交换电流密度,增强的充放电反应在电极表面。在镍镉电池电池制造商可以使用这种材料。纳米复合金属氧化物,ZnO-Al₂O₃由保罗et al。8表现很好的电催化能源电极。锂离子电池是最受欢迎的和商业上使用笔记本电脑和移动电话。有新开发的锂离子电池的阴极和阳极材料。他们见表3 a和b分别。金属氧化物已经被深入的研究了阳极材料的库,比如Ti-based氧化物(TiO₂(19)和李₄“透明国际”₅O (20.),锰基氧化物(MnO [21)、锰₃O₄(22)、锰₂O₃(23)和MnO₂(24),Fe-based氧化物(铁₃O₄(25)和铁₂O₃(26]),有限公司₃O₄(27],NiO [28)和SnO₂(29日]。其中,SnO₂被认为是最有前途的候选人,因为它的低成本、环境亲切和理论比容量高(29、30)。更重要的是,SnO₂操作电压(最低平均放电和充电电压为0.3 V和0.5 V和李/李吗⁺分别)相比其他过渡金属氧化物,这样能源完整的密度细胞当SnO会更高₂作为阳极材料(29日,31日]。对于SnO₂^{- - - - - -}基础电极、电化学过程涉及以下两个步骤(31日,32]:

类型	阳极	阴极	电解液
锌-碳化(Leclanche)	锌合金	二氧化锰阴极	80%氯化铵和氯化锌的20%
氯化锌	锌	二氧化锰	- - -
锌锰二氧化碳	锌	二氧化锰	氢氧化钾
银锌氧化物	锌	氧化银	氢氧化钾
锌空气	锌	氧气	氢氧化钾
硫化锂-铁	锂	硫化亚铁	有机电解液;
锂锰氧化物	锂	二氧化锰	有机电解液

表3。主电池材料共同之处。

类型	阳极	阴极	电解液
铅酸	铅	二氧化铅	硫酸
镍镉	镉	镍二氧化碳	氢氧化钾
镍氢	镧系元素或镍合金	镍二氧化碳	氢氧化钾电解液
锂离子	碳	锂钴氧化物	有机电解液

表3 b。材料在充电电池。

SnO₂李+ 4 + + 4 e−↔Sn + 2₂O (1)

Sn + xLi + + xe−↔LixSn (0≤x≤4.4) (2)

对于大部分SnO₂材料,第一反应被认为是不可逆转的,理论容量约为780 mAh g⁻¹(31日,33,34]。而对于纳米级SnO2粒子,据报道,第一反应就可逆/部分可逆和理论能力可以增加1494 mAh g的最大价值⁻¹(31日,35),大约三倍的商业化石墨(只有372 mAh g⁻¹)。第二个进程被广泛认为是可逆锂可反复合金和dealloyed Sn中形成。

未来电池

首先找到一个新电池高能源和细胞的潜力,结合高活性金属具有高电负性阴离子是第一步。大多数调查,高压离子航天飞机(Li Na,毫克)位于负的标准电极电位系列。潜在的另一端标准系列,包括材料,如氟和氯没有深入追究电池。未来电池氟离子电池的列表,氯离子电池、镁电池、钠电池,电池,锌电池。表4,给出了具体的比较能源一些电池。其中最有前途的发展未来的电池进行了讨论。对电极材料的发展部分3.0中所有测试之后。

物种	能源容量mAh /毫升	具体的能源mAh / g	还原电位V与她	有效的离子半径(A)
李	2026年	3861年	-3.04	0.76
Na	1128年	1165年	-2.71	1.02
K	591年	685年	-2.93	1.38
毫克	3833年	2205年	-2.37	0.72
Ca	2073年	1337年	-2.87	1
锌	5851年	820年	-2.2	0.74
艾尔	8040年	2980年	-1.67	0.54

表4。比较具体的能源未来的电池。

氟离子电池

氟原子的电负性是最元素周期表。因此,氟离子是非常稳定的,宽的电化学稳定窗口。因此它可以被视为一个合适的和稳定的离子电池的电荷转移。只有少数从事氟离子电池(34- - - - - -38]。

两个电极之间的氟离子的转移使可逆的电子存储电荷补偿电化学夫妇是充电或放电时电池的外部电路。理论FIB的工作原理是用一个例子来阐述BiF₃/ Mg电化学夫妇。阳极的放电伴随着氧化,例如,Mg→MgF₂,发布两个电子电路。

组成的电子减少阴极(金属氟化物)到相应的金属,例如在BiF₃→Bi。电中性区由F−保证。理论上,没有基本属性,使氟离子电池(撒谎)固有的危险比其他的艺术电池只要适当的安全措施被应用。但不得不说,这样的设计原则仍有待建立,因此没有明确声明的安全是可能的。

对于二进制氟化物,这些反应是以下类型:

阴极:毫克ydF4y2Ba₁外汇+ xe⁻→米₁+ xF⁻

阳极:毫克ydF4y2Ba₂+ xF⁻→米₂外汇+ xe⁻

总反应:毫克ydF4y2Ba₁外汇+′M₂= M₂外汇+ M₁E_细胞=ΔG / (xF)

M1中使用的金属阴极,M₂中使用的金属阳极,m和n是氟离子的数量。
电池被使用在150°C LaF的固态电解质₃/ BaF₂复合女士氟导电率为0.2厘米⁻¹在∼150°C。

氯离子电池

金属氯化/系统显示一个大的吉布斯自由能源改变收益率高electromotoric部队(EMF)在相变,即。,氯离子转移。的数据能源密度对这些系统中列出的一些电化学夫妇表4。金属氯化/系统理论能源密度高于当前的自由。此外,这种电池系统可以由丰富的物质资源和可以使用各种金属(例如李、钠、镁、钙、和Ce)或氯化物作为电极活性物质。因此,有趣的是探索这些系统基于氯离子传输领域的可充电电池,到目前为止还没有公布。一个关键挑战是电解质氯离子电导率高的发展。

固体无机化合物如PbCl₂,SnCl₂氯化,LaOCl显示快速转移在非常高的温度下(39]和[40),甚至高于熔点的金属氯化物。立方CsSnCl₃离子电导率高1厘米女士⁻¹在100°C作为研究史蒂文斯(41和王42),但其电化学稳定需要调查。

Mg电池

Mg作为阳极材料有很高的潜在优势的理论容量3832 mAh /厘米³(李:2062 mAh /厘米³),它的电化学势是-2.37 V与新人道。有趣的是,毫克并不形成树突当镀层,因此可以用于金属的形式,这样就避免惰性主机在李/石墨等材料系统。Mg是环保、安全处理的低成本相比锂。通过适当的设计和架构也可能导致重量能源密度∼150 - 200 W h /公斤∼2 - 3 V的操作电压范围电力存储系统成为一个有吸引力的候选人支持风能和太阳能,分布能源系统或电网操作。硫或其组合可以作为阴极。电化学转换的镁和硫的形成通过一系列中间聚硫MgSx (2 < x < 8)已经验证通过各种分析和电化学技术(43]。

Mg电池的主要挑战是可逆的电解质Mg航天飞机的发展。问题:(1)需要开发毫克^{2 +}含有无水的离子液体电解质离子电导率和介电常数高可逆沉积和镁的解散。(2)需要开发一个策略来克服,或者减少镁电极的钝化层的形成可能妥协可充电电池的性能。基于碳硼烷的镁电解液[1 - (1,7-carboranyl) B10C氯化镁的公式₂ClH11Mg)被发现(44)电化学稳定到V 3.2∼铂(可逆Mg沉积/剥离),不锈钢(316级),和铝。扁et al。45)和卡特(46)也报道了基于硫醇盐电解质的发展显示了氧化稳定性∼2.5 V与可逆Mg铂电极^{2 +}离子嵌入/提取到/从Mo6S8电极的容量高达40 mA h g⁻¹当测试到0.38°C和马∼45 h g⁻¹分别为0.095°C现价。

电池的放电性能和cyclability大大提高使用Non-Nucleophilic电解质如tetraglyme或二元溶剂glyme和PP14TFSI毫克/ S电池(35]。

钠离子电池(SIB)

兄弟姐妹为大规模的吸引了越来越多的关注能源存储,因为天然丰度,低成本和环境亲切的钠。兄弟姐妹有一个g 1165 mAh的理论比容量¹消极的还原电位为-2.71 V和她。自从Na的大小⁺(~ 1.02)半径比李大⁺,大多数材料没有足够大间隙空间主机Na⁺,导致缓慢扩散Na动力学⁺在电极材料39]。因此,发展有用的一个巨大挑战是找到合适的电极材料可以托管Na⁺高容量和快速扩散动力学。阴极材料,钠基过渡金属氧化物如碳NaCrO修改₄(47]显示良好的电性质,可以加速可逆的嵌入/提取钠离子和Cr的灵巧的互补的氧化还原反应₄+ / Cr₃+夫妇。Na1.25V3O8纳米线作为阴极[48]提供了一个增加电极-电解液接触面积,更好的应变住宿,也防止self-aggregation和缩短钠离子LD乐动体育官网扩散路径。硫酸盐视为妹妹Na2M阴极候选人(₄4)·h₂O (M =毫克、铁、钴或镍)及其衍生品Na2M脱水(₄)₂(M =公司或铁)显示电化学活动潜在3.3−3.4 V和Na / Na [49,50]。对于阳极材料在妹妹,各种碳材料具有不同的结构51,52)和不同形态(如碳纳米管和空心碳团簇)(53,54)进行了调查,通常提供一个可逆容量约250−300 mAh g¹在一个电压范围从0−3 V)。

Alloy-based阳极,比如Sn (Na₁₅Sn₄,847 mAh g¹)和某人(Na₃某人,660 mAh g¹),吸引了相当大的兴趣,因为他们适当的Na的潜力⁺插入和高理论能力有用。其中,锡是一种很有前途的候选人平均电压0.3 V(与Na / Na +)和理论容量790 mAh g¹

锡纳米粒子均匀嵌在球形碳网络(55)表现出高电导率的Sn / C框架促进可逆sodiation / desodiation。

其他电池在这些类别是K离子电池Ca电池,电池,锌电池也有很高的理论能源密度。但这些电池的发展相当缓慢,由于问题找到合适的电极材料。

结论

的需求能源存储设备正在增加。高新精力充沛的廉价的电极材料不能改善目前现有电池的性能也显示找到的路线non-Li基于离子电池的低成本和高性能。纳米材料的金属、合金、氧化物和复合产生非常高的能量电极材料使用地球上丰富的材料。可充电电池基础上另类金属元素(钠、钾、镁、钙、锌、铝等)可以提供相对高功率密度和能源使用丰富的密度,低成本的材料。anode-cathode夫妇为未来细胞的最终选择取决于各种电化学测试的结果如上所述。

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