新型二次电池的研发与应用
MOFs 衍生结构在新型二次电池电极材料中的应用_黎建刚
能源研究与管理2021（1）开发与应用收稿日期：2021-12-13基金项目：江西省科学院科研开发专项基金博士项目（2020-YYB-10）第一作者：黎建刚（1990—），男，助理研究员，博士，主要从事新能源技术开发。
E-mail ：jiangangli@摘要：金属-有机框架（MOFs ）衍生结构，作为能量存储和转换领域的热点材料，对其在二次电池电极材料中的应用现状及其发展趋势进行综述，可为开发高效二次电池电极材料提供科学指导。
在此，详细论述MOFs 衍生结构在锂离子电池、锂氧电池、锂硫电池、锂-硒电池、钠离子电池和锌空电池等为代表的新一代的二次电池系统设备中的应用及其研究现状，并针对相关二次电池涉及的具体电化学原理进行概述。
研究发现，通过针对不同种类二次电池其特定的结构特性来指导MOFs 衍生材料的设计，可获得综合电化学性能提升的高效功能材料。
与此同时，MOFs 衍生材料的几何结构和成分组成与其相应电化学活性之间的“构-效”关系仍然不明，电化学能量存储和转化过程中的基本机理解释尚不完善，因此，还需不断深入研究，以实现新型二次电池的商业化应用。
关键词：金属-有机框架；衍生结构；可充放电池；电极功能材料中图分类号：TM912文献标志码：A文章编号：2096－7705（2021）01－0078－05LI Jiangang,LI Qin,TANG Hongmei,ZAN Cong,DENG Tonghui（Energy Research Institute of Jiangxi Academy of Science,Nanchang 330096,China）Metal-organic frameworks (MOFs)derivatives have been seen as the hot materials in the field of energy storage andconversion.To summary their application status and development trends in rechargeable battery electrode materials,which can provide the scientific guidance for the development of high-efficiency electrode materials.Here,the application of MOFs derivatives on the aspect of electrode materials of lithium-ion batteries,lithium-oxygen batteries,lithium-sulfur batteries,lithium-selenium batteries,sodium-ion batteries,zinc-air batteries and other novel secondary battery system equipment were represented,and the involved specific electrochemical principles in related rechargeable batteries also been summarized.It was found that by guiding the design of MOFs derivatives with the specific structural characteristics of different types of rechargeable batteries,the highly efficient functional materials with improved overall electrochemical performance can be obtained.Meanwhile,the "configuration-activity relationship"between the geometric structure and composition of MOFs derivatives and their corresponding electrochemical activity is still unclear.The fundamental mechanism explanation in the process of electrochemical energy storage and conversion is not yet complete.Therefore,it is still necessary to keep continue in-depth research to realize the commercial application of the novel rechargeablebatteries.metal-organic frameworks;derivative;rechargeable battery;electrode functional materialsDOI ：10.16056/j.2096-7705.2021.01.015MOFs 衍生结构在新型二次电池电极材料中的应用黎建刚，李琴，唐红梅，詹聪，邓同辉（江西省科学院能源研究所，南昌330096）78··能源研究与管理2021（1）开发与应用引言经济的快速增长以及人口数量的爆发式增加，导致化石类能源的过度消耗，并次生出严重的环境气候问题，可再生能源的开发与可持续存储技术的发展，为上述危机的应对提供了有效解决方案[1]。
面向规模储能的镁二次电池关键材料与电芯
面向规模储能的镁二次电池关键材料与电芯随着全球能源需求不断增长和环境保护意识的增强，可再生能源的开发和利用成为人们关注的焦点。
储能技术因其对可再生能源的有效利用和能源供应的稳定性有着重要作用，受到了广泛关注。
而作为储能技术的重要组成部分，镁二次电池因其高比容量、低成本、资源丰富等优势，备受研究者和产业界的关注。
在镁二次电池中，关键材料和电芯的设计和研发对于电池性能和成本至关重要。
本文将从面向规模储能的角度，对镁二次电池的关键材料与电芯进行探讨。
一、镁二次电池的概念镁二次电池是一种利用镁离子在正负极之间往返移动来实现能量储存和释放的电池。
其工作原理是在充电时，镁离子从正极向负极迁移，同时在放电时，镁离子则从负极返回正极，完成循环储能的过程。
二、镁二次电池的优势1. 高比容量：镁二次电池具有较高的比容量，可以提供更长的使用时间和更稳定的供电。
2. 低成本：镁是一种丰富的资源，因此镁二次电池具有较低的成本，使其在规模储能方面具有较大的竞争优势。
3. 环保可再生：镁是一种环保可再生的金属材料，与锂等材料相比，镁的回收利用率更高，对环境影响更小。
三、镁二次电池关键材料与电芯1. 正极材料：正极材料是镁二次电池中的重要组成部分，其特性直接影响电池的性能和稳定性。
目前，常用的镁二次电池正极材料包括锰基材料、钛基材料、铁基材料等。
2. 负极材料：负极材料也是镁二次电池中的重要组成部分，其特性对电池的循环性能和安全性有着重要影响。
目前，常用的镁二次电池负极材料包括碳基材料、硅基材料、锂基合金材料等。
3. 电解液：电解液是镁二次电池中传输镁离子的介质，其性能直接影响电池的循环稳定性和安全性。
目前，常用的镁二次电池电解液包括氯化镁、硫酰胺等。
4. 电芯设计：电芯是镁二次电池的核心部分，其设计和制造对电池的能量密度和安全性有着重要影响。
目前，常用的镁二次电池电芯设计包括单体电芯、组合电芯、软包电芯等。
四、面向规模储能的镁二次电池应用前景随着可再生能源的快速发展和储能需求的增长，面向规模储能的镁二次电池具有广阔的应用前景。
二次电池 原理
二次电池的原理介绍二次电池（也称为可充电电池）是一种能够通过逆向传递电子实现充电和放电的便携式化学能储存装置。
与一次电池不同，二次电池可以多次循环使用，因此在现代社会中被广泛应用于各种设备，如手机、笔记本电脑、电动汽车等。
构造二次电池由正极、负极、电解液和隔膜组成。
正极和负极之间通过电解液和隔膜进行隔离，同时确保离子能够在两极之间传导，达到充放电的目的。
1.正极：正极是二次电池中电子的出口，通常由金属氧化物（如镍氢电池的氢氧化镍）构成。
2.负极：负极是二次电池中电子的入口，通常由逆反映物质（如锂离子电池的石墨）构成。
3.电解液：电解液是二次电池中的载流体，通常由溶解了离子的溶液或者聚合物凝胶构成。
4.隔膜：隔膜用于隔离正极和负极，防止短路并允许离子在两个电极之间传输。
充放电过程二次电池是通过正负极之间化学反应的进行充放电的。
以下是典型的二次电池的充放电过程。
充电过程 1. 正极：充电时，正极中的金属氧化物被还原为原始金属，例如，氢氧化镍还原为镍。
2. 负极：充电时，负极中的逆反映物质吸收电荷，例如，石墨中的锂离子被插入结构。
3. 电解液：充电时，电解液中的离子被阳极吸引，阴极通过隔膜带动离子向负极移动。
放电过程 1. 正极：放电时，电子从正极流向外部电路，金属氧化物被氧化，恢复初始物质的形态。
2. 负极：放电时，逆反映物质释放电荷，恢复原始结构。
3. 电解液：放电时，离子重新进入电解液。
充放电过程中，化学反应不会改变二次电池的物理性质，因此二次电池可以多次循环使用，提供长久的储能能力。
常见的二次电池类型目前市面上常见的二次电池类型包括铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。
1.铅酸蓄电池：铅酸蓄电池是一种成熟的二次电池技术，广泛应用于汽车和UPS备用电源等领域。
它由铅和铅二氧化物电极以及硫酸溶液构成。
2.镍镉电池：镍镉电池具有高比能量和高放电平台特性。
它由镍氢化物和氢氧化镉电极以及碱性电解液构成。
二次电池 产业技术政策
二次电池产业技术政策二次电池产业技术政策的重要性二次电池产业技术政策在现代工业中扮演着至关重要的角色。
随着环境意识的提高和能源需求的增加，二次电池产业逐渐成为了关注的焦点。
二次电池是指可以重复充电和放电的电池，如锂离子电池、镍氢电池等。
它们的广泛应用涉及到电动汽车、储能设备、电子消费品等众多领域。
因此，制定和实施相应的二次电池产业技术政策，对于推动技术进步、促进产业发展、保护环境等方面都具有重要意义。
首先，二次电池产业技术政策可以促进技术创新。
通过设立研发资金、推动科研机构与产业界的合作等方式，政府可以鼓励企业进行技术创新，提高二次电池的能量密度、循环寿命、安全性等关键指标，从而提升二次电池产品在市场上的竞争力。
此外，政府还可以引导企业开展绿色生产，推动使用环保材料和工艺，以降低对环境的影响。
其次，二次电池产业技术政策有助于促进产业发展。
政府可以通过出台税收优惠政策、提供优质土地资源、建立支持产业发展的金融体系等方式，吸引更多企业进入二次电池产业，提升整个产业链的竞争力。
同时，政府还可以鼓励企业进行合作，促进资源共享和技术交流，形成协同创新的氛围，推动整个产业发展向上游技术链和下游应用链拓展。
最后，二次电池产业技术政策对于环境保护具有重要意义。
二次电池产业涉及到大量的资源消耗和废弃物产生。
政府可以通过制定环保标准、建立废旧电池回收利用体系等措施，引导企业进行环境友好型生产，减少资源浪费和环境污染。
此外，政府还可以通过推动电池回收利用技术的研发和应用，促进循环经济发展，降低对原始资源的依赖。
综上所述，二次电池产业技术政策在推动技术创新、促进产业发展和保护环境方面具有重要作用。
政府应当积极制定和落实相应政策，推动二次电池产业的可持续发展，为实现绿色、低碳、可持续发展的目标做出贡献。
全球二次电池产业现状与展望
全球二次电池产业现状与趋势.镍氢电池应用范围:无绳电话,电动玩具,电动工具,应急灯,家用电器,仪表器械,电动自行车.锂离子电池应用范围:移动电话,笔记本电脑,多种移动设备,小光碟播放机,小型摄像机,数码相机.所谓小型二次电池，主要指目前已商品化的、并应用于NB PC、移动电话、数码相机、CD Player、PDA、MP3等可携式电子产品的镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池及锂聚合物电池等而言。
日本的小型二次电池技术进展领先全球其它国家，且素来是全球小型二次电池的主要生产基地，而其小型二次电池上中下游产业结构体系也最完备。
目前全球小型二次电池的市场日本在其中占有很大的比例，约占小型二次电池市场的75%。
日本小型二次电池生产企业主要有三洋电机、索尼、松下、GS（统一）等几大厂家，尽管东芝公司日前已宣布退出锂电池生产，但其仍将致力于燃料电池等其它电池的生产。
此外，尚有NEC及日立两家企业，而后起之秀如中国的比亚迪（BYD）公司、法国Saft、德国Vatar公司、韩国的三星电子及LG化学公司。
只是由于小型二次电池的生产主要向亚洲方向转移，法国Saft及德国Vatar公司在东亚中、日、韩三国竞向扩产的大趋势下已很难发挥大的作用。
目前，小型二次电池产业已完全为中、日、韩三国公司所垄断。
镉镍电池是产品及技术发展最成熟的小型二次电池，其正极、负极材料分别采用镍氧化物及镉金属，主要分为开放式与密封式两种。
开放式镉镍电池于1899年由瑞典科学家研发成功，当时主要用途则是为矿坑安全灯、铁路/公路信号灯等；密闭式镉镍电池则于20世纪70年代，因具有便宜、它全性高等特点，而随着便携式电子产品的发展迅速普及，但在环保意识日益升高的今天，因具有记忆效应及不符合环保要求的镉污染问题，而逐渐为氢镍电池及锂离子电池所取代，失去了市场主导地位，已为投入小型二次电池生产企业所摒弃。
氢镍电池肇始于1958年储氢合金材料的发现，1990年初期首先由日本量产上市。
凝胶聚合物电解质在锂离子电池中的应用研究
凝胶聚合物电解质在锂离子电池中的应用研
究
锂离子电池作为目前最为广泛应用的二次电池，其性能的提升一直是研究领域的重点。
凝胶聚合物电解质作为一种新型电解质材料，因其具有高离子导电性、优良的机械性能和耐化学性能而备受关注。
本文将重点讨论。
首先，凝胶聚合物电解质相比传统液态电解质具有更高的安全性。
由于其固态结构，可以有效抑制电解液泄漏和挥发的问题，大大降低了锂离子电池的安全风险。
同时，凝胶聚合物电解质具有更广泛的电化学稳定性，能够在更宽的温度范围内工作，极大地提高了锂离子电池的循环稳定性和使用寿命。
其次，凝胶聚合物电解质的高离子导电性也是其在锂离子电池中得以广泛应用的重要原因之一。
相比传统的液态电解质，凝胶聚合物电解质的离子传输速率更快，电池的充放电效率更高。
研究表明，采用凝胶聚合物电解质可以大大提高锂离子电池的能量密度和功率密度，进而推动电池技术的发展。
此外，凝胶聚合物电解质还可以通过调控其物理化学性质来实现对电池性能的进一步优化。
例如，可以通过改变凝胶聚合物电解质的组成配比、结构设计等方法来提高电解质与电极材料的相容性，进而减少电池的界面阻抗，提高电池的循环稳定性和电化学性能。
让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，凝胶聚合物电解质作为一种新型电解质材料，在锂离子电池中具有广阔的应用前景。
随着相关研究的不断深入，相信凝胶聚合物电解质将会在未来的能源储存领域发挥越来越重要的作用，为电池技术的进步和智能化应用提供强有力的支持。
锂硫电池的优点与挑战及其在动力电池中的发展前景分析
锂硫电池的优点与挑战及其在动力电池中的发展前景分析近年来，电动汽车的快速发展使得动力电池技术日益受到关注。
作为一种新型二次电池，锂硫电池因其高能量密度和环境友好性备受瞩目。
本文将探讨锂硫电池的优点和挑战，并分析其在动力电池领域的发展前景。
1. 锂硫电池的优点1.1 高能量密度：锂硫电池相比传统的锂离子电池，具有更高的能量密度，可以实现更远的行驶里程，从而满足电动汽车对续航里程的需求。
1.2 环境友好：锂硫电池使用的是非常广泛的元素，锂和硫，相比其他动力电池，如镍氢电池和镍镉电池，锂硫电池的制造和回收过程更加环保。
1.3 成本效益：由于锂硫电池使用的是相对较为廉价的原材料，并且制造过程相对简单，因此锂硫电池在成本方面具有优势，可以降低电动汽车的制造成本。
2. 锂硫电池的挑战2.1 低循环寿命：锂硫电池在充放电过程中会出现锂枝晶的生长，导致电池内部结构损坏，从而降低循环寿命。
这是锂硫电池目前面临的主要挑战之一。
2.2 容量衰减：由于锂硫电池内部的化学反应机制，电池在使用一段时间后容量会逐渐下降，限制了其在动力电池领域的应用范围。
2.3 安全性问题：锂硫电池在一些情况下可能会发生热失控、起火等安全问题，这也是需要解决的关键挑战。
3. 锂硫电池在动力电池中的发展前景3.1 技术改进：随着科技的进步，锂硫电池的制造工艺和材料的改进将有助于克服其目前面临的挑战。
例如，采用新的电解质、改变电池结构和加强界面稳定性等都是提高锂硫电池性能的关键研究方向。
3.2 市场需求：电动汽车市场的扩大将对动力电池提出更高的要求，包括更长的续航里程、更快的充电速度和更高的安全性能。
锂硫电池作为一种具有潜力的技术，在满足这些需求方面有广阔的市场前景。
3.3 国家政策支持：各国对于环保能源的需求不断增加，政府对于新能源汽车的推广给予了大力支持。
因此，锂硫电池在动力电池领域的应用前景非常乐观。
综上所述，锂硫电池作为一种新兴的动力电池技术，具有高能量密度、环境友好和较低的制造成本等优点。
二次电池的制造方法与制作流程
二次电池的制造方法与制作流程二次电池（也称为可充电电池或蓄电池）是一种能够通过反应将化学能转化为电能，并且可以通过外部电流进行电化学反应重组的电池。
它们由两个或多个不同的电化学反应构成，这些反应可以被反复循环使用。
在制造二次电池之前，需要确定电池的化学组成和物理规格。
下面是二次电池的制造方法和制作流程。
制造二次电池的方法可以分为原材料准备、正负极材料制备、电解液配制、电池组装和封装等几个主要步骤。
1.原材料准备：制造二次电池所需要的原材料包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜、集流器等。
这些材料必须通过可靠的供应商采购，并且符合电池制造的质量标准。
2.正负极材料制备：正负极材料是电池中最重要的组成部分，它们的制备过程通常包括混合、粉碎、干燥和烧结等步骤。
正极材料通常是一种具有高电化学活性的物质，如锂钴酸锂、锂铁磷酸盐等。
负极材料通常是一种可以嵌入或释放电荷的物质，如石墨、锡等。
3.电解液配制：电解液是二次电池中起到导电和媒介作用的溶液。
它通常由有机溶剂、盐类和添加剂等组成。
配制电解液的过程包括控制溶液的浓度和组成，并确保电解液的纯度和稳定性。
4.电池组装：电池组装是将正负极材料、电解液、隔膜和集流器等组件按照设计要求进行组合的过程。
在组装过程中，需要注意保持正负极材料的完整性和一定的间隔，以防止内部短路或正负极直接接触。
5.封装：完成电池组装后，需要进行封装，以确保电池具有较好的安全性和寿命。
封装过程中通常会使用聚合物薄膜或金属壳体来封装电池，并确保电极、电解液和隔膜等部份的紧密接触和防止外部环境的影响。
除了以上流程，还有一些可能的附加步骤和检测工序。
例如，电池制成后需要进行容量测试、性能检测以及严格的质量控制，以确保正常使用和安全性。
需要指出的是，不同类型的二次电池制造过程会有所不同。
例如，镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等在制造方法和步骤上会有所区别。
此外，为了提高二次电池的性能和安全性，还需要通过不断的研发和改进来完善制造流程。
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新型二次电池的研发与应用
在当今社会中，电池是一种广泛应用的化学能源储存介质。
它可以将化学能直
接转化为电能，提供电力资源给工业、农业和居民生活。
而且电池还可以通过再生利用，降低对环境的污染和对地球资源的损伤。
新型二次电池，作为一种新型的高效、环保的电池体系，正成为人们关注的焦点。
一、新型二次电池的定义及类型
新型二次电池顾名思义，是一种能够重复使用的、可充放电的电池。
与传统电
池不同，新型二次电池在使用过程中，不会产生污染物，且能够被多次重复使用，是一种优秀的绿色能源。
按照基本工作原理的不同，新型二次电池分为不同的类型，如铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池、钠离子电池等。
这些新型二次电池具有较高的能量密度、循环寿命长、安全性高等特点，而其中以锂离子电池应用最为广泛。
二、新型二次电池的研发历程
新型二次电池的研发历程始于20世纪60年代。
由于当时随着电子产品的普及，对电池的需求不断扩大，然而传统的干电池和外置电源等电池种类不能满足这种需求。
于是，开发一种新型的二次电池以满足市场需求的研究逐渐兴起。
20世纪80
年代，日本开始研发锂离子电池。
由于锂离子电池具有循环次数多、体积小、重量轻等特点，得到了广泛的应用。
随着科技的进步，其他类型的新型二次电池逐渐研发成功，并得到了相应的应用和推广。
三、新型二次电池的应用
新型二次电池的应用范围非常广泛。
在移动设备方面，如电动自行车、智能手机、平板电脑、智能手表等，均广泛的应用了新型二次电池。
在工业领域中，新型二次电池也有很大的用途，如应用于UPS（不间断电源）、太阳能电站等大规模
储能领域等。
在纺织和造纸领域，利用新型二次电池重复使用性的特点，可以实现长时间高负荷工作，提高了生产效率和工作安全性。
四、新型二次电池面临的挑战
新型二次电池虽然在广泛的应用中，得到了不错的成就，但是也面临着各种挑战。
由于伴随着长时间的使用和多次充放电，电极材料的失效和电池活性材料的损耗是常见的问题。
此外，新型二次电池堆储能大规模利用还存在技术瓶颈、经济困难等多种问题。
这些问题需要通过技术创新、质量控制和成本管理等措施加以解决，以使新型二次电池得到更广泛的应用。
总之，新型二次电池是一种非常重要的绿色能源储存方式。
随着科技的进步，
新型二次电池在不同领域有着广泛的应用，具有显著的经济和环保优势。
在未来的发展中，我们必须加强对新型二次电池的研究和应用，提高其使用效率和使用寿命，不断推进新型二次电池领域的技术创新和改进。