无负极电池研究报告.docx

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无负极电池研究报告

大学化学Ⅱ课程作业

“无负极电池”

—高能量密度的第三代锂电池初步探索

学生：

黄志宇

学号：

20156260

指导教师：

李泽全

班级：

车辆工程04班

重庆大学

汽车工程学院

2016年4月

摘要

2014年12月23日，美国麻省理工大学（MIT）取得了电池技术的突破性成果，其新研发出来的“无负极电池”或将颠覆沉寂了20多年的传统锂电池行业，并有望在未来1-2年内投入使用，使得智能手机变得薄如卡片，手机待机时间和电动车续航里程翻翻，而且电池价格变得更低。

据悉，这种第三代锂电池使用一种超薄到近乎没有的金属负极和更加安全的电解液。

根据美国能源部的定义，第一代锂电池使用石墨负极，最多能达到600Wh/L的能量密度;第二代锂电池使用硅负极，最高能取得800Wh/L左右的能量密度；第一代和第二代都属于传统的锂离子电池。

而第三代锂电池将使用更高能量密度的金属负极甚至做到无负极，能超过1000Wh/L的能量密度。

据称麻省理工大学独创的“无负极电池”技术可以使电池达到1337Wh/L的能量密度。

电池由四部分构成：

正极，负极，电解液和隔膜。

锂离子电池的负极主要是以石墨为主，优点是非常成熟和廉价，缺点能量密度很低。

“无负极电池”是采用金属锂作负极，LiCoO2作正极的电池，只是负极金属锂层很薄，而并不是真的“没有负极”。

本文会初步介绍“无负极电池”的工作原理，使用前景以及其优缺点和制造过程中亟待解决的问题和应用难点。

因为本人只是初步涉及电化学，所以无法深入探究，本文只是做粗略的探讨。

关键词：

锂电池，金属负极，能量密度，电解液

目录

摘要2

1.工作原理4

1.1锂电池工作原理4

1.2“无负极电池”工作原理5

2.应用前景7

2.1“无负极电池”的优缺点7

2.1.1优点7

2.1.2缺点8

2.2市场前景8

3.应用难点9

3.1安全性9

3.2可用性9

3.3经济性9

参考文献10

1.工作原理

1.1锂电池工作原理

锂电池（Lithiumbattery）是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。

锂电池大致可分为两类：

锂金属电池和锂离子电池。

锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂。

锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。

锂金属电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

最早出现的锂电池使用以下反应：

Li+MnO2=LiMnO2

正极上发生的反应为:

LiCoO2==Li1-xCoO2+XLi++Xe-（电子）

负极上发生的反应为:

6C+XLi++Xe-==LixC6

电池总反应：

LiCoO2+6C==Li1-xCoO2+LixC6

锂离子电池负极材料多采用石墨，可选的正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。

新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

正极上发生的反应为（放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌）：

充电时：

LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-

放电时：

Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4

负极上发生的反应为（放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。

）：

充电时：

xLi++xe-+6C→LixC6

放电时：

LixC6→xLi++xe-+6C

锂离子电池工作原理

1.2“无负极电池”工作原理

“无负极电池”实际上属于锂金属电池。

锂金属是金属里面密度最小，而且电极电势最低的金属。

早在上世纪七十年代工业界便做出了产品：

Li/MnO2rechargeablecell,MoliEnergyabout1989

但锂金属作负极一个致命的问题就是安全，有燃烧爆炸的危险。

锂金属会与non-aqueous电解液反应，一般来说理想的情况是这样的反应会在负极锂金属上生成一层passivationlayer来阻止锂金属的进一步反应。

但往往实际发生的情况会偏离我们的想象：

充电的时候锂离子回到负极，没有老老实实变回“平平”的锂金属层，而是会沉积成一种叫“枝晶”的东西，这种东西一旦形成，由于其表面自由能利于继续生长，所以每次充电就会助长这些枝晶的长大，最后枝晶会

刺破隔膜与正极接触发生短路。

所以这种金属锂电池很快便被淘汰，并被锂离子电池取代。

而根据SolidEnergy的描叙，金属锂是通过某种技术沉积在铜箔集流体表面，然后在锂层上再沉积一层很薄的聚合离子液体电解质层，才解决金属锂作负极的安全性问题。

锂金属负极与其他材料负极比较

2.应用前景

2.1“无负极电池”的优缺点

2.1.1优点

1.体积小，可以大大缩小智能设备的厚度和体积。

2.0Ah“无负极”电池与主流手机电池对比

2.更高的能量密度，在同等体积内可以提供更多的能量，增加电器设备的使用时间。

2.1.2缺点

1.技术尚不成熟，安全性无法检验。

2.复杂的制造工艺导致产量不高，价格贵。

2.2市场前景

根据花旗银行的最新报告，2014年全球可充式锂电池市场高达210亿美元，其中120亿美元来自于消费类电子产品，35亿美元来自于电动汽车。

保守估计，2020年全球可充式锂电池市场将达到350亿美元，包括147亿美元来自于消费类电子产品，100亿美元来自于电动汽车，平均每年增长10%。

随着人们越来越多地使用智能硬件，实际的锂电池市场会远远大于这个保守估计。

“电动汽车产业化进程在很大程度上取决于电池技术的进步。

当前全球诸多电池技术的创新预示着这个进程会加快，尤其是如果能出现颠覆性的电池技术，整个电动汽车产业格局和商业模式都有可能发生预想不到的变化，”，国务院发展研究中心企业研究所副所长张永伟说。

“无负极电池”的问世，会带来更轻薄的体积和更多的电量，将会大大提升智能设备的使用时间和电动汽车的续航里程，降低电池的价格，除此以外，还会应用到更多的领域中去。

3.应用难点

3.1安全性

所有的消费类电子产品都有亲密接触人体的机会，保证电池设备的安全性是至关重要的。

“无负极电池”负极采用超薄的金属锂，而且具有很高的能量密度。

那么解决电池的充放电的发热问题，保证电池在正常温度下工作，不会发生爆炸等事故是应用难点。

3.2可用性

在该电池大规模生产前，需要解决许多制造工艺的问题，比如均匀性和纯度。

在大规模生产时，材料需要和实验室小规模生产有同样的纯度和均匀性。

如何解决制作工艺问题，使这种电池能投入实际生产并规模应用，是最大的技术难点。

3.3经济性

无负极锂电池要颠覆现有锂电池产业格局，必须在产品价格上，生产效率上比现有锂电池产业具有优势，而且还要面临现有体系国内外负极材料厂商的竞争。

如何降低成本的同时保持优良的性能，是又一大应用难点。

参考文献

[1]顾小双，《根植美国高校的能源创新:

谁偷走了“电池的负极”?

》[期刊论文]-中国社会组织2015（8）

[2]《无负极电池：

颠覆传统锂电池行业》，《国企》十大科技趋势（2015年01期）

[3]揭底“无负极电池”高能量密度的秘密：

[4]能量爆棚！

无负极锂电池将问世

[5]XX百科-无负极电池

[6]XX百科-锂电池

[7]知乎-无负极电池