原创《新型电池开发和应用进展简述》
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随着石油、煤炭等传统能源的日渐匮乏,以及环境污染的日益加重,发展高效清洁能源势在必行.而新型能源如太阳能、风能、氢能、核能等,虽然有着巨大的潜能,但由于其使用对环境的依赖性较强,因此要胜任一些需要持续功能的电子设备（如汽车等）依然存在巨大挑战.电化学储能在当今人们的生产生活中占有重要地位,无论是可再生能源的大量存储还是便携式设备的高密度存储,对电化学储能器件和材料的成本、储能密度、稳定性等指标都提出了较高的要求.
在寻找可替代清洁能源的过程中,新型电池技术发展和进步关系着人类的未来.新型电池技术及其产业链作为先进技术的代表方向相继被各个国家纳入优先发展的行业.我国明确提出：到2020年先进电池材料、光伏材料产业化要取得重大突破,要满足新能源汽车、太阳能高效利用等方向的需求.本文针对锂电池、燃料电池、金属空气电池、核电池、太阳能电池等主要类型的新型电池,加以简述和总结.
一、锂电池
考虑到电池的高能量密度、高电压、原料和制备工艺的低成本等优点,锂离子电池及下一代锂电池（固态电池、锂硫电池等）的相关材料制备仍然是现阶段新型电池研究的热点.锂离子电池技术的发展极大地推动了近些年智能手机的普及应用,其高能量密度支撑智能手机向更轻薄、更便捷、更多功能化的方向发展.智能手机承载的互联网功能,正在颠覆性地改变人们的生活方式、信息获取方式和互联互通.在交通领域,锂离子电池的高能量密度辅以先进的电池管理系统,让新能源电动汽车十分受欢迎.除此之外,锂离子电池以及其他一些高效低价的电池储能体系正在为新能源如风能和太阳能的普及应用提供强有力的支持.
近些年,各类新型锂电池相比于目前的锂离子电池体系（电解液为液体）具有更高的比容量和更低的成本,正逐渐受到人们的重视.固态电池、锂硫电池、柔性电池等事未来的重要发展方向.
1. 固态电池
固态电池是采用固态电极和固态电解质的电池.固态电池的正极材料与液态电解质电池没有太大差别,负极材料主要选用锂金属、锂合金或石墨烯等.这么多有利的因素,组合在一起就构成了固态锂离子电池.目前固态锂电池可以分为无机固态电解质电池和聚合物固态锂电池2种.固态锂电池的发展主要还是依赖于固体电解质材料的发展.表1列出了固态电池和传统锂电池的主要区别.
全固态锂电池具有极高的安全性,其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液,同时也克服了锂枝晶现象,搭载全固态锂电池的汽车的自燃概率会大大降低.全固态锂电池当前能量密度在390Wh / k g左右,预估最大可达900Wh/kg.
2017年3月份,、国家发展和改革委员会、科学技术部和财政部4部委联合颁布了《促进汽车动力电池发展行动方案》,方案指出到2020年,要求新型锂离子动力申池单体能量密度在300Wh/kg以上；系统比能量力争达到260Wh/kg.固态电池是实现这一目标的最佳选择之一.
目前,全球范围内约有30多家制造企业、初创公司和高校科研院所致力于固态电池技术的研发、产业化路线的探索和材料体系的选择.高等院所主要专注于电池材料层面的研究和电池机理的探究,国外研究机构以美国阿贡国家实验室为代表,国内以中国科学院2013年设立的固态电池先导计划为依托,希望在5年内实现我国固态电池产业化和规模化生产.企业方面,以日本丰田集团和韩国三星集团为代表,其在固态电池的开发和商业化应用处于世界领先位置.
2. 锂硫电池
锂硫（L i - S）电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的新型锂电池.它具有高的理论比容量和能量密度,并且硫生产成本低,规避了过渡金属（钴和镍等）储量的制约,对环境友好无污染,因此被视为最有应用前景的高容量新型储能电池之一,有望用于大型储能项目.
然而,锂硫电池的商业化应用现在仍面临一些技术方面的挑战：如固体硫化物的导电性差,可溶性长链多硫化物的穿梭效应以及电池充放电期间硫的体积变化大,导致电池发生明显膨胀等,这些问题进一步导致硫正极的利用率偏低、电池循环次数减少、电池寿命差,甚至可能发生一系列安全问题.如何大幅提高锂硫电池稳定性的同时,增加锂硫电池的大功率放电性能,已成为当前锂硫电池研究的热点之一.
3. 柔性锂电池
目前所用的锂离子电池产品（圆柱电池、方形电池、聚合物电池等）都是刚性的,其在发生弯曲、折叠等形状变化时,容易造成锂电池内部材料和集流体脱落分离,进而影响电化学性能,甚至可以导致电池短路,发生严重的安全事故.同时为了满足下一代柔性电子设备的发展需要,柔性储能器件成为新型电池的研究热点方向.
柔性电子器件在通信、医疗健康和传感器等领域有着广泛应用.作为电子设备中的能量来源,高性能柔性电池对其发挥着不可或缺的作用.然而,兼顾高能量密度的同时保持电极良好的柔性,成为了柔性电池面临的主要挑战之一,锂电池因其具有的优异的电化学性能,成为其中的解决方案之一.
二、燃料电池的组成
燃料电池是一种化学电池,通过不断输入燃料,进行化学反应,然后将化学能直接转化为电能的装置,其燃料通常为甲醇、乙醇、氢气（H2）、天然气等.通过特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳和水,释放电能.
燃料电池主要由阳极板、阴极板、电解质和外电路4大主要部分组成.在燃料电池的阳极和阴极分别通入燃料和氧气（空气）,燃料首先在阳极表面上释放电子,电子通过外电路传导到阴极并与氧气结合生成离子.在电场作用下,离子通过电解质转移到阳极表面,离子在催化剂的作用下与燃料进行化学反应,释放电能,进而回路产生电,形成化学电池.其中,阴极和阳极不仅可以传导电子,还能作为燃料电池氧化还原反应催化剂的载体.为便于反应气体的进入和产物的排出,阴阳极通常采用多孔结构的碳材料.电解质主要起到传递离子和分离气体的作用.
氢燃料电池的结构原理图见图1所示.其具体工作原理如下：氢气进入燃料电池的阳极表面,阳极外层的铂系催化剂将氢气转化成质子和电子,1个氢分子解离为2个氢质子,并释放出2个电子；中间的质子交换膜仅允许质子通过电解质到达燃料电池的阴极表面,电子经过外电路流向阴极部分形成电流.氧气进入燃料电池的阴极表面,和质子、电子相结合生成水,构成一个完整的反应体系.
1. 燃料电池的分类
燃料电池常根据电池体系所用电解质的不同来分类,这主要因为电解质直接决定了燃料电池工作时的温度、电极上所采用的催化剂类型以及发生化学反应的燃料.按所用电解质的不同,可将燃料电池可分为5类：碱性燃料电池（A F C）、磷酸盐型燃料电池（P A F C）、固体氧化物型燃料电池（S O F C）、碳酸盐型燃料电池（M C F C）和质子交换膜燃料电池（P E M F C）.表2列出了上述5种燃料电池的所用主要燃料、氧化剂、电解质催化剂、用途等.
2. 燃料电池现状及应用
燃料电池,目前世界各国对其商业模式还在探索之中,但在燃料电池汽车相关的核心技术方面,中国的发展水平落后于欧美日韩等发达国家.就氢燃料电池企业而言,国内企业商业模式不清晰,技术路线不明确,这是制约氢燃料电池汽车推广的瓶颈.
我国在新能源汽车领域,锂离子电池纯电动汽车已经成为主流路线.当前我国纯电动汽车的发展格局已初步形成：乘用车以三元动力电池为主,客车主要采用磷酸铁锂动力电池.而另一个不容忽视的事实是：欧、美、日、韩多家知名车企相继报道投入大量资金进行燃料电池汽车的开发,并公布了其产业化时间表.
根据日本富士经济预测,到2025年,全球燃料电池市场有望达到5.2万亿日元（合约人民币3 400亿元）.经过分析和调研,在2015年之前,燃料电池应用主要以商业用途及家庭用途领域为主；随着众多研究机构和企业的努力,以及燃料电池汽车商业化的不断落地,燃料电池下游市场已出现结构性变化,未来新能源汽车将占有很高的市场份额.未来随着技术升级、加氢站等基础设施的完善、政策支持力度加大,预计到2025年全球燃料电池汽车市场有望扩大到2.91万亿日元（约合人民币1 900亿元）,占整体市场一半以上,增长潜力巨大.
三、金属- 空气电池
金属-空气电池是化学电池的一种.其构造原理与一次干电池类似,区别是它的氧化剂取自空气中的氧.金属-空气电池系列主要包括锂空电池、铝空电池、镁空电池、锌空电池等.
与其他电池一样,金属-空气电池也是由基本的３部分组成：正极、负极、电解质,外电路由导线连接传导电子,内电路由电解质连通传递离子.以锂空电池为例,其工作原理如图2所示.
1. 锂空气电池
锂空气电池是一种非常有潜力的高比容量新型电池,其利用锂金属与氧气的可逆反应,理论能量密度上限达到11 000Wh/kg,远超过锂电池目前200Wh/kg的实际能量密度,因此得到了学术界和工业界的热捧,被广泛认为是一项电池领域中未来的颠覆技术.
最近美国科学家等在锂空电池的研究方面达成了突破,在《NATURE》上发文,成功制成了可在类空气气氛中循环超700次的电池,很好的解决了之前很多体系只能与纯氧反应、循环寿命很差（常常只有几十次）的问题,在该领域的科学研究层面取得了重大进展.
锂空电池技术一直是受到人们重视的热点技术,其理论能量密度高得到了大家的一致期待,但是该技术的问题和挑战也一直非常多.同时“锂空气电池结合了燃料电池和锂离子电池的缺点”、“反应副反应太多”等一系列问题,主要存在如下3方面问题.
（1）氧还原反应需要催化剂
放电过程中,在无催化剂存在的情况下,氧气还原反应速度非常缓慢；而目前用的铂系催化剂非常昂贵,并且容易发生“催化剂中毒”现象.电池在充电过程中,电压平台为4V左右,在此电压平台下电解液容易发生分解等副反应.
（2）锂空气电池是敞开体系
在锂空电池体系中,空气直接与电解液接触,会引发电解液挥发、电解液氧化、空气中的水分和C O2与金属锂反应等一系列致命问题.
（3）空气电极孔道堵塞问题
放电生成不溶于电解液的氧化锂（Li 2O）和过氧化锂（L i2O2）会堆积在空气电极表面和空隙中,阻塞空气孔道,导致空气电极失活、电池放电终止.
综上所述,锂空气电池中存在很多问题亟待解决：包括氧气还原反应的催化、空气电极透氧疏水性、空气电极失活等.虽然锂空气电池取得了一些进步,但要真正商业化应用还有很长一段路要走.
2. 铝空气电池
铝空气电池是以铝为负极、空气电极正极、中性水溶液或碱性水溶液为电解质,构成的一种高能量化学电源,其属于半燃料电池.铝空气电池的理论能量密度可以达到2 290Wh/kg,已规模应用的产品能量密度为3 0 0 ～ 4 0 0 W h / k g,远高于主流锂离子电池芯1 5 0 ～ 2 4 0 W h / k g的能量密度.铝空气电池产生电能消耗铝、氧气和水,原料来源丰富,工作过程不产生有毒有害气体,生成的氢氧化铝可以电解再生或可作为污水处理的沉淀剂使用,电池使用寿命一般可达3 ～4年.铝空气电池可以分为一次电池和通过更换铝负极方式实现机械可充的二次电池.
铝空气电池国外研究进展较快,应用水平不断提高.美国、加拿大、以色列等国均在大力开发铝空气电池作为重要的动力电源.但铝空气电池在放电过程中会发生阳极腐蚀,进而产生少量的氢,这就会导致阳极铝材料的过量消耗,同时增加电池内阻,电池内部消耗加剧；这严重阻碍了铝-空气电池的商业化进程和应用推广.
四、核电池
所谓的核电池,并不是利用核裂变转化为电能的原理,而是利用放射性同位素的衰变来产生能量.
由于核电池使用的放射性同位素半衰期从几十年到几百年不等,也就是说这些电池虽然功率密度低,但可以长时间缓慢提供能量.与一般化学电池相比,核电池寿命极长、总输出能量高,可惜制作成本相对高昂,所以通常用于需长时间运作、且平常难以进行电池更换的仪器上.
据俄罗斯媒体报道,该国研究人开发出了一种超强的核电池,其续航可以超过百年,性能超乎想象.据悉,这个电池是一种基于镍-63的新型核电池设计,为了提升电池的功率密度,设计上采用了新的方向,比如包裹在10μm厚的三明治结构中,镍-63的最有效层厚度为2μm(如图3所示).
这样的结构设计既可以提升电池密度,又能够防止危险放射.这种电池的用途,更加适用于那些难以更换电池的应用,比如航天器或起搏器等植入设备.虽然目前核电池一大棘手问题是缺乏镍-63制备设施,但团队表示,商业化技术应该能在未来10年内推出.
五、太阳能电池
为了对太阳这种清洁能源的有效利用,太阳能电池将会扮演越来越重要的作用,并受到学术和工业界的广泛关注.传统的薄膜太阳能电池器件一般需要2个电极,分别用于对电子和空穴的收集.从太阳光对器件的入射方向来说,该2种电极又可以被称为前电极和背电极,对于前电极,即透明电极,它们需要同时具备高导电率和高透光性的特点.具有高透光率和高导电率的透明电极能减少太阳光在电极上的损耗,将尽可能多的太阳光传输至太阳能电池的活性层,从而产生更多的光激发载流子,并被透明电极收集,另一种光生载流子则被传输至具有高导电性的背电极.虽然背电极的透光特性并不是传统薄膜太阳能电池的必备条件,采用具有透光特性的背电极则可以获得半透明的光伏器件.锡掺杂氧化铟（I T O）和氟掺杂氧化锡（F T O）是现阶段工业界和学术界最常采用的透明电极,但是由于该类金属氧化物陶瓷薄膜具有天然的脆性,不利于柔性光电子器件的发展应用,另一方面,日益上涨的稀有元素铟及高昂真空镀膜的制备工艺则会不断推高该类透明电极的成本,因此,寻找具有高透光、高导电及低成本的柔性透明电极势在必行.相比于普通的金属背电极,具有一定纳米结构特性的背电极则能有效地改善薄膜太阳能电池中的光场分布及提高载流子的提取,对器件性能的提高具有推动作用.
在太阳能电池中硅系太阳能电池是目前发展最成熟的类型.但其成本居高不下,远不能满足商业大规模推广的要求.因此人类一直不断在太阳能电池工艺、相关新材料、电池薄膜化等方面进行探索和研发,其中新近发展的纳米二氧化钛晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的一致重视.
六、结语
目前能源问题日益紧迫,传统汽车迅猛发展,带来的环境问题备受社会关注.发展新能源行业是一条必由之路,而新型电池就是新能源行业的核心器件.新型电池研发要与上游材料、下游应用和市场紧密联系起来,重视技术革新带来的新领域、新方向,同时兼顾环境保护及其他环节的协同发展.保障我国电池技术的持续进步,形成越来越强的国际竞争力,为可持续发展奠定基础.
我国目前已经很重视新型电池的技术开发和应用领域拓展,但核心领域的技术和装备仍与美日等发达国家有一定的差距.我国可以将多方力量联合起来,搭建公共的共性研发平台,摸索最先进的电池生产工艺,自主研发一流的设备,提高工业自动化水平,真正研发制造出高品质的新型电池电池产品.
10.19599/j.issn.1008-892x.2018.09.002
参考文献
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[2] Chen Bo,Xu Qiang,Zhen Huang,et al.One-pot preparation of new copolymer electrolytes with tunable network strucstructure[J].Power Sources,2016,331 ：322-331.
开发论文参考资料：
小结：本文是一篇适合电池和应用进展简述和新型论文写作的大学硕士及关于开发本科毕业论文，相关开发开题报告范文和学术职称论文参考文献。
