催化原理及锂空气电池
锂空气电池解析
锂空气电池有一个重要的问题：Li2O2无法溶解于有机电解液中， Li2O2将不断 在负极材料表面沉积，这将阻止O2的进入，导致放电终止。因此气电极是关键因素。
锂空气电池中所用的空气电极通常由多孔碳组成，多孔碳结构可以为O2向碳-电 解液界面的扩散提供气体传输通道，同时多孔结构可以为放电过程中形成的Li2O2 提供存储空间。当碳材料的孔道完全被Li2O2所填充时，放电过程将会终止。电解液在 孔道内的传输也将是决定锂空气电池能量储存的另一重要参数。以上各方面表明，
多孔碳材料的微观结构将严重影响电池的性能。研究新型的多孔碳电极材料，从
而提高容量、能量及功率密度，并且改善体系的稳定性，已经成为该领域的研究
热点。
空气电极——多孔碳材料
系列研究表明，碳材料的结构、 孔容、孔径、比表面积等因素对电 池的性能有很大的影响。
在实际应用中，非水电解质锂空 气电池性能要低于理论值，主要是 因为Li与O2反应后会在空气电极的 表面生成不溶于非水电解质的Li2O2 或Li2O产物，该产物逐步堵住碳载 体的孔道，O2和Li+无法再通过孔道 传递，放电过程被迫终止。但同时 发现，并非所有空气电极的孔容而 是仅部分孔容被填满，放电过程即 终止。由右图可知，大部分氧化产 物沉淀在不超过20％孔纵深的孔口 周围。
问题。
锂-空气电池
为了减少气体扩散对电池性能的影响， Williford等设计了一种双重相互连通的孔隙系统 （一边有催化剂，另一边无催化剂）提高氧气传 输到空气电极内部的几率，从而提高锂空气电池 的效率。 通过上述对多孔碳空气电极的研究表明，孔容 （孔隙率）是决定多孔碳空气电机性能非常重要 的参数。一般而言，在反应比表面积充足的情况 下，碳材料的孔容越大，储存锂氧化物的空间就 越大，其容量也就越高。
4.2催化剂的效率
催化剂的催化效果不仅与其自身化学性质有关， 而且与其物理性质有关。
应用在空气电极上的催化剂种类较多，主要有以
下四种类:(1)多孔碳材料;(2)金属氧化物材料;（3） 贵金属及合金;（4）金属菁化合物。
对空气中催化剂的选择一方面要考虑催化剂的价
格，能够满足大规模商业化的应用；另一方面要 考虑催化剂的催化性能，能够满足答功率电化学 反应的要求。
主要内容： 1、锂-空气电池材料的主要问题 2、锂电极的保护 3、电解质材料 4、锂空气电极材料
1、锂-空气电池材料的主要问题
目前，锂-空气电池的研究还处于初始阶段，其 实际比能量还远远达不到其理论值，比功率较低、 循环性能也较差。目前制约其发展和应用的因素 有很多，以锂-空气电池为例，在电池材料方面主 要有：
图五为放电时间与孔隙结构之间的关系，其中 电极厚度为0.070cm,氧气分压为1.0atm，电流 密度为0.5mA.cm-2，电池总放电时间为56h。
Mirzaeian等采用碳酸钠催化剂与碳气凝胶复合作 为空气电极，研究了多孔碳的结构，孔隙率，孔径 以及比表面积对电池放电容量的影响。结果表明， 在孔容（2.195cm3.g-1）和孔径（14.23nm）时， 具有较高的放电容量（1290mAh.g-1，放电电流密 度20mA.cm-2）。 在相同厚度的空气电极中，碳的装载量与孔容是影 响电池放电容量的两个重要参数。在一定程度范围 内，随着碳装载量的增加，放电容量会有所提高。 Hayashi等研究了不同种类的碳材料作为空气电极 时电池的电化学性能。高的碳材料比表面积对应大 的放电容量。
新能源材料-金属空气电池ppt课件
7.3 锌空气电池
7.3.3 基本特性
（1）充电特性
锌空气电池的充电模式，打破了普通蓄电池的常规充电 模式，采用机械式更换电池的锌板或锌粒的"充电"模式，整 体更换锌空气电池的活性物质，将整个锌空气电池进行更换 ，电池不再需要花很长的时间来充电，更换一块20kWh的电 池块只需要1分40秒。只要在公路沿线设置锌板或锌粒匣以及 电解质器匣的机械式整体更换站，其效果如同现在内燃机汽 车的加油站，直接"充电"，可以为用户提供很大的方便。
金属/空气电池由具有反应活性的负极和空气电极经电化 学反应偶合而成，它的正极反应物用之不尽。在某些情况 下，金属/空气电池具有很高的质量比能量和体积比能量。 这一体系的极限容量取决于负极的安时容量和反应产物的 贮存与处理技术。
已经研究和开发过的金属/空气电池有原电池、贮备电 池、可充电电池和机械再充式电池等。在机械充电电池设 计(即更换放完电的金属负极)中，电池在本质上相当于原电 池，它的空气电极为相对简单的“单功能”电极，只需要 在放电模式下工作。常规可充电金属/空气电池需要一个第 三电极(用来维持充电时放出氧气)或者一个“双功能”电极 (一个既可以还原氧又可以析氧的电极) 。
7.2 空气电极
7.2.2 外界环境的影响
（1）空气中的CO2的影响
在碱性环境中，二氧化碳会形成碱式碳酸盐而沉积在电 极的微孔结构中，故应使空气中的CO2始终维持在10010-6 以下。
（2）其他影响
锌电极中合金元素的特性和电解液都有可能影响空气电 极的性能和寿命。此外，活性物质中有害物质、隔膜的稳定 性与抗氧化性等因素对锌空气电池性能均有不同程度的影响 。
7.3 锌空气电池
7.3.2 结构
糊状的锌粉在阳极端，起催化作用的碳在阴极。电池壳体上的孔可 让空气中的氧进入腔体附着在阴极的碳上。同时，阳极的锌被氧化。 阴极——是起催化作用的碳从空气中吸收氧。 阳极——是锌粉和电解液的混合物，成糊状。 电解液——高浓度的氢氧化钾水溶液。 隔离层——用于隔离两级间固体 粉粒的移动。 绝缘和密封衬垫——尼龙材料。 电池外表面——镍金属外 壳，具有良好的防腐性的 导体。
锂离子电池原理及工艺大全
锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌来工作，它主要有能量密度高，充电时间快，使用寿命长等特点。
随着能源汽车下游产业不断发展，锂离子电池的生产规正在不断扩大。
锂离子电池原理及工艺 - 大全2018锂离子电池简介一，锂离子电池的原理、配方和工艺流程•1、工作原理•1.1正极构造•LiCoO2 + 导电剂 + 粘合剂 (PVDF) + 集流体（铝箔）•1.2负极构造•石墨 + 导电剂 + 增稠剂 (CMC) + 粘结剂 (SBR) + 集流体（铜箔）•1.3工作原理•1.3.1 充电过程•一个电源给电池充电，此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。
此时：正负极物理反应为：•1.3.2 电池放电过程•放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。
由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。
电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。
•1.3.3 充放电特性•电芯正极采用LiCoO2 、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走x个Li离子后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于x的大小。
通过研究发现当x >0.5时，Li1-xCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。
所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-xCoO2中的x值，一般充电电压不大于4.2V那么x小于0.5 ，这时Li1-xCoO2的晶型仍是稳定的。
锌空气电池与锂空气电池
3.金属空气电池提供了很好的电化学性能,包括锌空气电池、镁空气电池、铁空 气电池、钙空气电池、锂空气电池等。在这些金属空气电池中,金属负极储存 能量,正极空气电极只是作为能量转换的工具,氧气来自空气中,取之不尽,这
样也就带来巨大的比能量,通常金属空气电池的理论比能量均在1000mAh.g-1
锌空气电池与锂空气电池
———从电池的工作原理与组成等方面介绍了锌空气 电池与锂空气电池的研究进展
报告人：赵啸宇，端木凡朋
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锌-空气电池
研究背景 ：锌-空气电池的开发过程分为四代 工作原理 ：基本的电极反应 电池结构 ：以纽扣电池为例介绍基本结构 工作特性 ：锌-空气电池工作时的特殊性质
步骤）
O2+H2O+2e→O2H-+OH-
O2H-→OH-+1∕2O2（ 速控
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简化电池截面图
金属氧化物纽扣电池
负极壳 绝缘垫圈 锌负极
隔膜 正极 正极壳
锌空气纽扣电池
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电池结构
正极
隔膜 催化层 金属网 疏水膜 扩散膜 空气分散膜
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电池结构
负极内部将会预留15%-20%的体积为负极自由体积 催化层组分为碳与锰的氧化物混合所形成的导电介质 正极通过添加很细的聚四氟乙烯微粒，增加疏水性 金属网构成结构支架，并且作为集流体 疏水膜保持空气和电解液之间的界面，能防止气体透过和防止
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研究背景
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第二代锌-空气电池——纽扣电池
体积小，从纽扣到硬币大小 上世纪七十年代曾被作为助听器商业化
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工作原理
锌-空气电池直接使用空气中的氧气参与产生电能的化学反应 负极：Zn→Zn2++2e
ncm电池工作原理
ncm电池工作原理
NCM电池是一种锂离子电池，其工作原理涉及电化学反应和能
量存储。
NCM电池的名称源自其主要由镍（N）、钴（C）和锰（M）
组成的正极材料。
以下是关于NCM电池工作原理的全面解释：
1. 正负极材料，NCM电池的正极由镍、钴和锰的氧化物组成，
负极通常是石墨。
这些材料在充放电过程中发生电化学反应，使得
电池能够存储和释放能量。
2. 充放电过程，当NCM电池充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，并通过电解质传输到负极材料中嵌入。
在放电过程中，这些锂离子
则从负极材料中脱嵌并返回正极材料。
3. 电解质，NCM电池中使用的电解质通常是有机溶剂和锂盐的
混合物，它们在充放电过程中起着传导锂离子的作用。
4. 电池反应，在充放电过程中，正负极材料发生氧化还原反应，使得锂离子在正负极材料之间转移，从而产生电能。
5. 安全性，NCM电池设计中通常会考虑安全性，采取措施以防
止过充、过放和过热等情况，以确保电池在使用过程中的稳定性和
安全性。
总的来说，NCM电池的工作原理涉及正负极材料的电化学反应、电解质的传导作用以及充放电过程中锂离子的转移，这些都是使得NCM电池能够存储和释放能量的关键因素。
希望这个回答能够全面
解释NCM电池的工作原理。
最新-锂离子电池正极材料与工艺详解(含三元材料)精选全文
八面体间隙
四面体间隙
02.锂离子电池正极材料简介
2.3 LiCoO2（层状） O3较O2，Li离子扩散克服能垒低，CO与Li混排需克服较高的能垒。
O3-LiCoO2结构： O原子为立方密堆积结构（ABCABC……）Li 与Co原子沿C轴方向交替占据八面体位置，且 共边（ α –NaFeO2）,属于六方晶系(三轴等长 ，任意两轴夹角相等)，具有 R3m空间群。
02.锂离子电池正极材料简介
2.3 LiCoO2
大约对应Li0.5CoO2，由于空位有 序化出现，形成扭曲八面体单斜相
恒流充电，当电压达 到4.8V时O3正极几乎所有 的锂离子都能从正极中脱 出，大约80%的锂离子可 以在嵌入正极材料中；可 逆比容量220mA·h·g-1。
图（b）可以看出最 低电压平台O3结构的正极 最高。
（碳酸乙烯脂）
隔膜
在电解液中具有 良好的化学稳定 性及一定的机械
强度
对Ｌi+的移动阻 碍小（内阻）， 对孔径和孔隙率
的要求
良好的绝缘体， 并能阻挡从电极 上脱落物质微利
和枝晶的生长
聚乙烯、聚丙烯等聚 烯烃微孔隔膜
目录
CONTENTS
01 锂离子电池原理简介
02 锂离子电池正极材料简介
03 三元正极材料简介 04 前驱体的制备工艺 05 三元材料成品制备工艺
Li（Nix-Coy-Mnz）O2 ,x+y+z=1
3.2过渡元素对性能的影响
容量-循环性能
随着Ni含量上升，电池比容量上升，循环性能有所下降
03.三元正极材料
2.4 Li（Nix-Coy-Mnz）O2 ,x+y+z=1
3.2过渡元素对性能的影响
锂空气电池正极材料的研究进展
锂空气电池正极材料的研究进展摘要：随着能源产业的飞速发展和环境友好型社会的建设推动，锂空气电池以其极高的理论能量密度及无污染的特点，成为电池体系的研究热点之一。
锂空气电池正极材料对锂空气电池的性能起着重要作用，本文主要综述了锂空气电池正极材料的种类。
主要是碳材料、贵金属及合金，过渡金属及氧化物等。
关键词：锂空气电池，正极，单质，复合材料1引言锂空气电池根据电解液的状态不同，主要可分为水体系、有机体系、水-有机混合体系以及全固态锂空气电池[1]。
在有机体系锂空气电池工作时，原料O通2过多孔空气电极进入到电池内部，在电极表面被催化成氧离子或过氧根离子，与电解质中的锂离子结合生成过氧化锂或氧化锂，沉积在空气电极表面，当产物将空气电极的多孔结构完全堵塞时电池停止放电[2]。
锂空气电池概念自1974年被首次提出，因其不可比拟的理论能量密度，备受研究者的关注，历经几十年的发展和优化，其实际性能也得到了很大的提升，但是，当前的锂空气电池仍面临能量转换效率低、倍率性能差、循环寿命短等问题，极大地阻碍了其实际应用。
正极是锂空气电池的关键组成部分，其上面发生的氧还原反应（ORR)和析氧反应（OER）显著影响电池的工作性能，如过电位、倍率性能、循环稳定性等[3]。
因此，成功开发低成本、高活性、长寿命的高效双功能正极催化剂已成为促进锂空气电池性能提升和发展应用的迫切任务。
2锂空气电池正极单质材料种类碳材料：碳材料包括一些商业碳黑、多孔碳材料、碳纳米管和纳米纤维以及石墨烯等，由于高的导电性、低密度、低成本和易于构造多孔结构等优势，碳材料被广泛应用于锂空气电池中。
碳材料的低质量密度和高导电性有利于锂空气电池获得较大的重量比容量。
碳电极的孔结构可以用现有技术轻松调节，从而提高锂离子和氧气的传输效率[4]。
此外，碳材料的电子结构可以通过掺杂原子进行调整，掺杂原子可以形成催化Li2O2。
基于以上优点，碳材料既可以作为催化剂单独使用，也可以作为其他催化剂的载体使用。
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目前世界合成氨产量已经超过8000万吨/年
§1－3 催化的重要性
20世纪四十年代，美国环球油品公司发现和开发
了汽油烷基化硫酸催化材料 使燃料油品的辛烷
值由原来的87提高到100 这种燃料使英国飞机的 爆发加速能力提高了50% 确保了皇家空军战斗 机在1940年7月~10月间的不列颠空战中击败了强 大的德国空军 催化剂代表胜利 扭转了第二次世界大战的战局；
Fritz Haber 合成氨 (1868~1934) N2+3H2 2NH3 到19世纪中叶，所使用的氮肥主要来自智利的硝酸纳矿
19世纪后期，用炼焦的副产产品氨为原料，可以制成硫酸铵，作 为氮肥来使用。
自然界中游离氮只能被豆科植物的根瘤菌直接利用。 1907年，哈柏等在约550℃和 150至250个大气压的条件 下，得到了8.25%的氨，成功地制取了0.1公斤的合成氨 7月2日，哈柏在实验室建成世界上第一个氨合成装置的模 型。（催化剂为锇或铀） 为解决世界范围氮肥短缺问题，他提出 空气中的氮和水中 的氢在高温高压和催 化剂作用下能够发生化学反应并合成 氨，1904至1913年发明了合成氨生产技术，从而开创了 合成氨工业。于1918年获奖。
Ziegler， (1898～1973) 1949至1953年 发明了 高活性络 合催化剂，于 1963年获奖。
Natta 1903～1979)
§1－3 催化的重要性
世界上超过90％的化学品的生产都与催化有关。 利用催化技术每年所产生的收入超过1万亿美元，而 催化剂的制备成本约为几十亿美元。因此催化剂的成 本在产品的成本中占约0.1%。 我国的石化工业是国民经济的支柱产业：
催化作用是人们通过科学活动和生产实践认识到的一 种现象：某些物质对一系列反应有影响，但本身似乎 没有变化或参与反应。
催化剂的定义
1835年 Berzelins 把上述现象归结起来，认为是由一种 催化力 (Catalytic force) 所引起的，提出了催化作用 (Catalysis) 。 Mitscherlich 把 这 类 现 象 称 为 接 触 催 化 (Contact catalysis)。
催化原理及 锂空气电池
报告人：牛强
§1
催化作用与催化剂
§1-1 催化剂的发展与定义 §1-2 催化作用的基本特征 §1-3 催化的重要性
§1-1 催化剂的发展与定义
1781年(帕尔明蒂): 稀酸参加下的淀粉转化为糖. 1783年(普里斯特林): 在粘土上的醇的脱水. 1797年(舍莱): 稀酸参与下的乙酸乙酯的皂化反应. 1817年(Davy): 加热铂丝可促进煤气、烃类的氧化. 1822年(Dobereiner): Au，Ag，Pt使H2+O2H2O. 1834年(Mitscherlich): 硫酸可使醇脱水成醚.
1911年，博施和米塔希在BASF公司建造了世界 上第一座合成氨工厂。1913年9月9日，开始生 产，实现了合成氨工业化的生产，年产 3.6万吨 硫酸铵。（Fe系催化剂）
1908至1913年改进了高压合 成氨的催化方 法，实现了合 成氨的工业化生产，并在发 展高压化学方面取得重要成 就。于1931年 获奖。
§ 1-2 催化作用的基本特征 （1）
1. 不能改变化学平衡和平衡常数
△G=-RTLnKa
2. 催化剂的存在可改变化学反应的速度
H2 + O2
C 200 H2O
H2O
催化剂参与了整个化学反应过程，但反应前后没有发 生变化，而整个反应的速度是加快了，加速了到达平 衡的时间。
CO 2 + H2O O C
对于不同的反应，催化剂的活性是不同的。 选择性由催化剂的功能所决定，但也部分地决定于热力 学平衡。对热力学上不太有利的反应，更应选择性能优 良的催化剂。 有时选择性比活性更重要 A B (产物) C 原料比较昂贵时，往往更注重于提高选择性。
§1－3 催化的重要性
工业总产值占全国11.6％, 资产总值占全国14.18％；
§2 催化作用原理
1. 均相催化反应 化学反应原理：
1 A B E AB
催化反应：
C A B AB
2 A C E AC
3 AC B E AB C
1976年IUPAC（国际纯粹及应用化学协会）“催 化作用是一种化学作用，是靠用量极少而本身不 被消耗的一种叫做催化剂的外加物质来加速化学 反应的现象”。 1994年国家自然科学基金委员会在自然科学发展 调研报告中指出“催化是加速反应速度、控制反 应方向或产物构成，而不影响化学平衡的一类作 用。起这种作用的物质称为催化剂，它不在主反 应的化学计量式中反映出来，即在反应中不被消 耗。”
1919年 Ostwald (奥斯瓦尔德)对催化剂提出了更为精 确和完整的定义“催化剂能影响化学反应的速度，但 它本身并不因化学反应的结果而消耗，它亦不会改变 反应的最终的热力学平衡”。
催化剂是一种物质:
数量少而能产生巨大变化的物质; 可以改变反应速度，而本身不被消耗的物质。
催化剂的定义
Cu/ 200 C
§ 1-2 催化作用的基本特征 （2）
催化剂的使用，有时也可使反应速度减慢，延 长到达平衡的时间。 亚硫酸钠易被水中的氧氧化 加入醇后可抑制氧化的进行。
§ 1-2 催化作用的基本特征 （3）
3 催化剂对不同的反应具有选择性
C=C + O2 Cu-Mn-O Ag C
因此在二战中起决定作用的不列颠空战被称为：
§1－3 催化的重要性
20世纪五十人类获得了丰富的塑料和纤
维制品。它不仅带动了整个石化工业的兴 起，也推动了与材料相关的其他产业的发 展，同时也给人类的日常生活带来了巨大 的变化。
对齐格勒发明的催化剂加以改进，使其 适合于聚丙烯的大规模生产，产品的强 度高、硬度大、耐磨损，成为仅次于聚 乙烯的塑料主要品种之一，广泛用于汽 车、化工、包装、建筑、医疗、农业、 食品等工业。于1963年获奖。