第一篇：納米材料之電池電極材料

納米材料之電池電極材料

鋰離子電池及電極材料

鋰離子電池納米氧化鈦UG20具有能量密度高，無記憶效應，環(huán)境友好，壽命長等優(yōu)點。自1991年日本索尼公司率先將其商品化以來，發(fā)展迅速，市場范圍不斷擴大。僅十年時間，其全球產(chǎn)值已超過鎳鎘和鎳氫電池的總和。鋰離子電池已在很多領(lǐng)域有著重要的應用，如手機，筆記本電腦，攝像機等電子產(chǎn)品和交通工具中，見圖3.21.用鋰離子動力電池改裝的叫車，每次充電后可運行約480KM；從零加速到每小時100KM只需16s；反復充放電可行程2*10五次方KM；用于航空航天領(lǐng)域的蓄電池要求具有可靠性高，低溫性能好，循環(huán)壽命長，能量密度高和體積小等特點，而鋰離子電池具備這些特點，并已成功的應用與活性著陸器和漫游器的系列探測任務。在軍事方面，前線部隊動力系統(tǒng)的能量密度的高低是橫梁其作戰(zhàn)能力的一項重要指標。鋰離子電池納米氧化鈦UG20可用于先進潛艇，導彈，隱性飛機等武器裝備的動力電源。

鋰離子電池（納米氧化鈦UG20）的廣泛應用加快了鋰離子電池，尤其是鋰離子電極材料的研究和發(fā)展。特別是近幾年來，隨著納米材料的發(fā)展，納米電極也被很廣泛應用，為鋰離子電池材料的研究開辟了一種全新的思路。事實證明，利用納米電極材料可以極大的提高電池的可用容量和擴散速率。

公司：蘇州優(yōu)鋯納米材料有限公司

第二篇：淺談鈉離子電池電極材料研究進展

淺談鈉離子電池電極材料研究進展

摘要：鈉和鋰具有相似的物化性質(zhì)，且鈉資源豐富，成本低廉，是非常有發(fā)展?jié)摿Φ碾姵伢w系，近年來得到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。簡要綜述了近年來鈉離子電池的研究成果，就層狀NaxMO2(M ＝Co, Ni, Fe, Mn, V 等)材料、聚陰離子型材料等正極材料及碳基負極材料、金屬或合金材料、金屬氧化物、有機材料和非金屬單質(zhì)等負極材料進行了介紹，并對其存在的問題以及未來發(fā)展方向作了探討。

關(guān)鍵詞：鈉離子電池，正極，負極

1、引言

隨著電子設備、電動工具、小功率電動汽車等迅猛發(fā)展，研究高能效、資源豐富及環(huán)境友好的儲能材料是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的必要條件。為滿足規(guī)模龐大的市場需求，僅依靠能量密度、充放電倍率等性能衡量電池材料是遠遠不夠的。電池的制造成本與能耗是否對環(huán)境造成污染以及資源的回收利用率也將成為評價電池材料的重要指標。[1]近年來，先進的儲能系統(tǒng)都普遍采用鋰離子電池技術(shù)，鋰離子電池是發(fā)展前景最為明朗的高能電池體系，但是隨著數(shù)碼、交通等產(chǎn)業(yè)對鋰離子電池依賴加劇，有限的鋰資源必將面臨短缺問題，鋰元素昂貴且地殼中含量少，隨著其逐漸應用于電動汽車，鋰的需求量將大大增加，而鋰的儲量有限，且分布不均勻，這對于發(fā)展大規(guī)模儲能的長壽命儲能電池來說，可能會成為一個重要問題，也引起了人們的普遍擔憂。尤其是作為純電動車的驅(qū)動電源和太陽能發(fā)電、風力發(fā)電的存儲設備，高性能蓄電池的開發(fā)迫在眉睫。鑒于此，人們迫切需要開發(fā)新型的長壽命儲能器件。[2]

鈉離子電池的研究開發(fā)在一定程度上可緩和因鋰資源短缺引發(fā)的電池發(fā)展受限問題。若在此基礎(chǔ)上研制出性能優(yōu)良、安全穩(wěn)定的材料，鈉離子電池將擁有比鋰電池更大的市場競爭優(yōu)勢。依據(jù)目前的研究進展，鈉離子電池與鋰離子電池相比有3個突出優(yōu)勢：①原料資源豐富易得，成本低廉，分布廣泛；②鈉離子電池的半電池電勢較鋰離子電勢高0.3～0.4 V，即能利用分解電勢更低的電解質(zhì)溶劑及電解質(zhì)鹽，電解質(zhì)的選擇范圍更寬；③鈉電池有相對穩(wěn)定的電化學性能，使用更加安全。與此同時，鈉離子電池也存在著缺陷，如鈉元素的相對原子質(zhì)量比鋰高很多，導致理論比容量小，不足鋰的1/2；鈉離子半徑比鋰離子半徑大70％，使得鈉離子在電池材料中嵌入與脫出更難。

因此，他們能負擔起可持續(xù)綠色能源開發(fā)的重任。當然，鈉電池的發(fā)展并沒有宣布鋰電池的退出，因為鋰電池質(zhì)量輕，所以對于交通運輸來說還是理想的選擇。鈉離子略重，更適用于能量的存儲供應，比如應用在工業(yè)領(lǐng)域。

本文綜述了近幾年來國內(nèi)外在開發(fā)研究鈉離子電池電極材料方面的研究情況和取得的一些成果。

2、正極材料 2.1 層狀NaxMO2(M＝Co, Ni, Fe, Mn, V等)正極材料

層狀過渡金屬氧化物，因其具有可逆的離子脫嵌能力，被廣泛用于二次電池電極材料。在研究鈉離子電池正極材料時，鈉基的層狀過渡金屬氧化物作為首選材料得到了研究。

Hamani等對Na0.7VO2(P2)和NaVO2(O3)的電化學性能作了比較。他們認為 Na0.7VO2(P2)和NaVO2(O3)都在1.2～2.4 V(vs.Na＋/Na)的電壓范圍內(nèi)發(fā)生可逆的鈉脫嵌過程，這與前人的研究結(jié)果一致。此電壓范圍內(nèi)，Na0.7VO2(P2)和NaVO2(O3)的首次放電容量分別為120 mAh?g-1和102 mAh?g-1。電化學過程中兩者具有相似的特點：充放電過程中，兩者都有0.5個鈉的可逆脫嵌并且結(jié)構(gòu)保持不變。但是Na0.7VO2(P2)的極化(＜50 mV)比NaVO2(O3)(200 mV)小的多，作者認為這是由于NaVO2(O3)是絕緣體，而P2相的 Na0.7VO2 作為半導體，具有較高的電導率所致。[3]

李慧等人認為碳包覆后電池性能有所提高主要是因為包覆碳后使電極材料不能直接與電解液接觸，從而減少了電解液與活性材料的副反應，減慢了SEI 膜在電極表面的生成；同時，碳包覆層加強了電極的電子電導率而減小了電極的極化。鈉離子可以在層狀結(jié)構(gòu)間進行可逆的脫嵌，但是由于鈉離子比鋰離子大，使得鈉離子在層狀過渡金屬氧化物材料的脫嵌相對困難，因此，改善材料以提高其動力學性能有利于提高鈉離子電池的電化學性能。[4]

2.2 聚陰離子型正極材料

鈉離子電池正極材料除了層狀氧化物外，還有聚陰離子化合物聚陰離子化合物含有開放的通道，可使Na+、Li+通過有些化合物由于聚陰離子多面體中氧原子的強共價鍵，具有較高的熱穩(wěn)定性；還有一些聚陰離子框架的含Na+化合物，經(jīng)研究可作為混合鈉鋰離子電池的活性材料。2.2.1 Nasicon型

J.B.Goodenough等合成了具有三維骨架結(jié)構(gòu)的Na+導體Na3Zr2Si2PO12，稱為Nasicon。在Nasicon結(jié)構(gòu)中，八面體和四面體的陽離子可以被多種離子所取代，而取代化合物被統(tǒng)稱為Nasicon型鈉離子導體。[5]

Nasicon類材料一般含有無毒且地球儲量豐富的元素,如Fe等。如果一些氧化還原電對，如Fe3＋/Fe2＋，Mn4＋/Mn3＋/Mn2＋和Ni4＋/Ni2＋等在鈉離子電池中能夠?qū)崿F(xiàn)可逆的氧化還原反應，那么此類材料在鈉離子電池中將有更大的發(fā)展?jié)摿Α?.2.2釩基堿金屬氟磷酸

用作鈉離子電池正極材料的含氟釩基類聚陰離子化合物，如NaVPO4F、Na3V2(PO4)2F3和Na1.5VO4PO4F0.5等，也受到研究者的關(guān)注。

2004年，Barker 等[32]用固相法和水熱法合成了新型氟磷酸鹽NaVPO4F，他們發(fā)現(xiàn)NaVPO4F 的晶型和Na3Al2(PO4)3F2相似，都屬四角對稱型，是由[MO4F2]八面體和[PO4] 四面體共面的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這種三維的空間結(jié)構(gòu)為鈉離子提供了嵌入和脫嵌的通道；用NaVPO4F 作正極材料制備的鈉離子電池也有很好的可逆比容量97~110 mAh?g－1，在23~60℃之間有很好的嵌入穩(wěn)定性。[4] 2.2.3橄欖石型磷酸鐵鈉

NaFePO4有兩種結(jié)構(gòu)：橄欖石Olivine型和磷鐵鈉礦Maricite型。K.Zaghib等對Olivine型和磷鐵鈉礦Maricite型的研究表明，磷鐵鈉礦Maricite型內(nèi)部沒有Na+通道，與之前的報道相符。目前，關(guān)于橄欖石型 NaFePO4 材料的制備方法相對單一，尋找新的更簡便的方法合成橄欖石結(jié)構(gòu)的NaFePO4 是提高其電化學性能的關(guān)鍵。[5]

3、陰極材料 3.1 碳基材料

碳基材料主要包括石墨碳、非石墨碳兩大類其中，石墨(包括天然石墨和人造石墨)已經(jīng)廣泛應用于鋰離子電池，是研究最早也是商品化程度最高的負極材料 鑒于在鋰離子電池領(lǐng)域的經(jīng)驗，碳基材料也被廣泛研究作為潛在的鈉離子電池負極材料主要包括石墨乙炔黑中間相碳微球碳纖維和熱解碳等常見碳基材料的電化學性能與其結(jié)構(gòu)和含氫量密切相關(guān)普遍認為，碳材料晶粒越小，比表面積越大，形成SEI保護層消耗的鋰鹽越多，導致首次充放電效率越低；而氫含量越高，容量的滯后越大。

由于Na＋的半徑較大，不能可逆的在石墨碳層間脫嵌，所以具有很好的嵌鋰能力的石墨不能作為鈉離子電池負極材料。Tang等采用水熱法制備了中空碳納米片，該材料具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。0～3 V(vs.Na＋/ Na)，50 mA?g-1下充放電，首次放電容量537 mAh?g-1, 前十周容量下降明顯，此后循環(huán)穩(wěn)定，第100 周時，容量約為200 mAh?g-1。在0.2, 0.5, 1, 2和5 A?g-1電流密度下放電，容量分別為168, 142, 120, 100 和75 mAh? g-1，即使在10 A?g-1的超大電流密度下，電池仍有 50 mAh?g-1的容量中空碳納米片表現(xiàn)如此好的電化學性能，主要有以下幾個原因:第一，中空碳結(jié)構(gòu)保證了電子的連續(xù)轉(zhuǎn)移。第二，大的電極/電解液接觸面，積提供了更多的電荷轉(zhuǎn)移位點。第三，大的內(nèi)層空間結(jié)構(gòu)使得鈉離子更容易在層間轉(zhuǎn)移。[4]

已有研究報道目前可利用二維空間限域等技術(shù)進行碳層間距的控制，只要合成具有一定層間距的碳材料以適合鈉離子的可逆脫嵌。就可能實現(xiàn)石墨化碳材料在鈉離子電池中的應用。不過，目前關(guān)于合成層間可控碳材料的方法比較繁瑣，尋找更適合鈉離子脫嵌的負極材料是提高鈉離子電池電化學性能的關(guān)鍵。[6]

3.2 金屬或合金材料

早期關(guān)于鈉離子電池負極的研究主要集中在碳基材料，但是碳基材料普遍存在容量低和循環(huán)性能差的問題，研究者積極開發(fā)新型的負極材料以替代純碳基材料。金屬單質(zhì)或合金材料由于具有較高的比容量，近年來成為研究熱點。

相比碳基材料，金屬單質(zhì)材料的儲鈉容量要大很多，然而在鈉離子嵌入脫出過程中，金屬單質(zhì)的晶體對稱性和晶胞體積會發(fā)生很大變化，機械穩(wěn)定性降低，劇烈的體積膨脹和粉化是其容量快速衰減的關(guān)鍵原因。

通常，將金屬單質(zhì)或者合金與其他材料特別是碳材料進行復合，可顯著解決循環(huán)性能差的問題。Sn/C復合材料比較有代表性。鈉離子電池合金負極材料的研究主要集中在Sn和Sb的研究，更多電化學性能優(yōu)良的合金材料有待于被發(fā)掘。合金材料是非常具有發(fā)展?jié)摿Φ拟c離子電池負極材料，但其在充放電過程中的體積膨脹造成的結(jié)構(gòu)變化是制約其發(fā)展的壁壘。采用合適的制備方法或引入惰性物質(zhì)作為結(jié)構(gòu)支撐手段，以緩解其在充放電過程中的體積變化是合金材料的發(fā)展重點。

3.3 金屬氧化物 過渡金屬氧化物因為具有較高的容量早已被廣泛研究作為鋰離子電池負極材料 該類型材料也可以作為有潛力的鈉離子電池嵌鈉材料 與碳基材料脫嵌反應和合金材料的合金化反應不同，過渡金屬氧化物主要是發(fā)生可逆的氧化還原反應。

TiO2具有穩(wěn)定無毒價廉及含量豐富等優(yōu)點，在有機電解液中溶解度低和理論能量密度高，一直是嵌鋰材料領(lǐng)域的研究熱點。TiO2為開放式晶體結(jié)構(gòu)，其中鈦離子電子結(jié)構(gòu)靈活，使TiO2很容易吸引外來電子，并為嵌入的堿金屬離子提供空位。在TiO2中，Ti與O是六配位，TiO6八面體通過公用頂點和棱連接成為三維網(wǎng)絡狀，在空位處留下堿金屬的嵌入位置。[7]

3.4 非金屬單質(zhì)

從電化學角度說，單質(zhì)P具有較小的原子量和較強的鋰離子嵌入能力，它能與單質(zhì)Li生成LiP3，理論比容量達到2596mA/g，嵌鋰材料中容量最高的，而且與石墨相比，它具有更加安全的工作電壓，因此，它是一種有潛力的鋰離子電池負極材料。

目前亟待解決的問題主要是如何抑制鈉離子嵌脫過程中材料的體積膨脹，從而得到具有較高庫侖效率和優(yōu)秀循環(huán)性能的材料。

3.5 有機材料

由于鈉具有比鋰大的離子半徑，因此對于許多無機電池材料來說無法提供足夠的晶格間距，從而導致了鈉離子具有較慢的擴散速度。然而，相對于無機材料，有機材料由于具有結(jié)構(gòu)的韌性，而有利于具有較大半徑的鈉離子的遷移。

與無機化合物相比，有機化合物具有以下優(yōu)點：(1)化合物種類繁多，含量豐富；(2)氧化還原電位調(diào)節(jié)范圍寬；(3)可發(fā)生多電子反應；(4)很容易循環(huán)等。目前，已經(jīng)有一系列的有機化合物被研究用于鋰離子電池嵌鋰材料其中部分材料被證實具有比容量高，循環(huán)壽命長和倍率性能高等特點，因此開發(fā)低電位下高性能有機嵌鈉材料是目前鈉離子電池負極材料領(lǐng)域研究的新方向與無機物相比，有機化合物結(jié)構(gòu)靈活性更高，鈉離子在嵌入時遷移率更快，這有效解決了鈉離子電池動力學過程較差的問題含有羰基的小分子有機化合物由于結(jié)構(gòu)豐富，是鈉離子電池負極材料的主要候選。[8]

4、國外鈉離子電池研究進展

2012年4月，日本東京理科大學的研究小組與電池專業(yè)制造商GS.YUASA公司合作，成功研發(fā)出新型鈉離子蓄電池電極材料。實驗表明，鈉離子氧化物中含有同量的鐵、錳，在層結(jié)構(gòu)中，鈉離子作為電儲存在層間，其存儲量和儲放電速度與鋰離子電池相同。由于鈉離子比鋰離子的離子半徑大，過去認為在結(jié)晶構(gòu)造之間難以移動，高速率的充放電特性低，其實并非如此。東京理科大學認為，離子半徑大則表面電荷密度低，離子自身傳導率高。研究者用正極采用NaNi1/2Mn1/2O2，負極采用硬碳的紐扣型電池進行了實驗，確認及時進行高速充放電，與低速充放電相比容量的降低程度也比較小，這是因為電解液中的輸送能力比鋰離子還要優(yōu)異。[9]

由于其低廉的價格和潛在的電化學性能，Prabeer Barpanda, Guandong Liu等人發(fā)現(xiàn)Na2FeP2O7作為一種安全的陰極材料具有很高的熱穩(wěn)定性。這種嵌入化合物的電化學鈉遷出過程導致了一種新的多形態(tài)的NaFeP2O7的發(fā)現(xiàn)。NaFeP2O7的高溫分析表明了在560℃下從三斜態(tài)（P1）向單斜晶態(tài)（P2/c）的一種不可逆的相轉(zhuǎn)變。NaFeP2O7表現(xiàn)出極高的熱穩(wěn)定性，根據(jù)目前的調(diào)查直到600℃，都不會發(fā)生熱分解和氧化反應。這種高的熱穩(wěn)定性歸咎于焦磷酸鹽(P2O7)4?離子，與其他磷酸鹽基陰極材料相比更安全，它使得Na2FeP2O7成為一種對于經(jīng)濟鈉離子電池大規(guī)模的應用的安全陰極材料。[10]

韓國UNIST研究所的研究小組就合成圖了對苯二甲酸及其衍生物作為鈉離子電池電極材料具有極其優(yōu)異的電化學性質(zhì)：電池容量達295mg/g，經(jīng)歷90次充放電循環(huán)后，容量展現(xiàn)出極其微弱的衰減，具有與商業(yè)鋰離子電池相似的倍率性能，而且適合的氧化還原電位體現(xiàn)了此類電極材料在安全和比能量方面有具有優(yōu)越性。此外，研究結(jié)果顯示具有不同取代基的對苯二甲酸具有不同的電化學性質(zhì)。因此可以通過有機反應來合成，以及引入特殊官能團來修飾有機分子，從而實現(xiàn)對有機電極材料的熱力學和動力學調(diào)控。這一成果，為有機化學反應在合成有機電極材料方面的應用，為提升鈉離子電池的相關(guān)性能提供新思路。[9]

5、總結(jié)與展望

鈉離子電池在發(fā)展的過程中也存在幾個關(guān)鍵問題亟待解決:第一是能量密度和功率密度的正極材料,同時尋找在循環(huán)過程中體積變化小的負極材料,提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性,是提高鈉離子電池性能的重要途徑,也是使鈉離子電池早日應用到大規(guī)模儲能的關(guān)鍵；第二是安全問題是制約鋰離子電池發(fā)展的重要因素，而鈉離子電池同樣面臨安全問題，因此，大力開發(fā)新的電解液體系, 研究更為安全的凝膠態(tài)及全固態(tài)電解質(zhì)是緩解鈉離子電池安全問題的重要方向。

鈉離子電池材料的創(chuàng)新是實現(xiàn)其技術(shù)進步的重點，并逐漸成為國際能源研究的熱點課題，在近年取得了巨大進步。尤其是，日本企業(yè)有可能借助技術(shù)實力，憑借掌握的該電池技術(shù)再次席卷全球市場。因此我們要開發(fā)的電池不僅成本要低，而且在性能方面也要達到與鋰電池同等或在其之上的水平。這也是鈉離子電池被普遍關(guān)注的發(fā)展趨勢。[9]

參考文獻

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第三篇：基于金屬納米槽網(wǎng)格的透明電極的研究

基于金屬納米槽網(wǎng)格的透明電極研究

透明導電電極是許多柔韌性的光電設備的重要組件，包括觸屏和電子交換機。銦錫氧化物薄膜——是典型的透明電極材料——表現(xiàn)了優(yōu)越的電學行為，但是，薄膜易碎，且有低的紅外線透光度和較低的材料儲備，這使得它在現(xiàn)實工業(yè)上的應用受到阻礙。最近發(fā)布的一些報道，例如導電聚合物，碳納米管和石墨烯都可以替代它。然而，盡管這樣會使它的柔韌性顯著提高，但是以碳為基體的材料的光電性能所表現(xiàn)的低導電性給了它很大的局限性。其他的一些例子包括金屬基納米電極能夠達到在90%的透光率下，薄膜電阻可以小于10Ω，這是由于金屬高的導電性造成的。為了達到這些性能，金屬納米線必須無缺陷，導電性接近他們在容量上的的值，使線與線的連接點的數(shù)量盡可能的小，呈現(xiàn)出小的連接電阻。這里我們提出一個簡單地制作過程，根據(jù)我們?nèi)康男枨髞碇圃煲环N新的具有優(yōu)良光電子性能（2Ω的薄膜電阻，90%的透光率）和在拉伸與彎曲作用下保持良好的機械柔韌性的透明導電電極。這種電極是由獨立的金屬納米槽網(wǎng)絡組成以及被生產(chǎn)要通過靜電紡絲和金屬沉積的過程。我通過制作一個柔韌性好的觸摸屏和一個透明導電膠帶的方式來證明透明導電電極在實際中的應用。

用掃描電子顯微鏡（SEM）來表征納米槽的微觀結(jié)構(gòu)。圖1b是了納米槽網(wǎng)格的典型結(jié)構(gòu)，在這種情況下，一個均勻的相互纏結(jié)的金納米網(wǎng)格網(wǎng)狀物的寬度達到400納米，長度超過1毫米。在金屬沉積物中，獨特的納米網(wǎng)格在它們的結(jié)點位置自然地相互聯(lián)結(jié)在一起是很重要的（如圖1b）。合成的納米槽的SEM圖像證實了聚合物纖維模板得到了充分的變形，通過凹截面清除固體帶狀物。水槽的厚度是80納米左右，通過改變金屬沉積的時間來獲取不同的槽的厚度。每個水槽平均寬度406nm（如圖S6），并能通過用靜電紡絲的手段控制聚合物纖維模板的直徑來完成調(diào)整。圖一展示了金納米槽成功附著在不同表面，這些表面包括載玻片，PET塑料制品，紙，紡織品和曲面玻璃燒瓶，它們?nèi)繘]有表面處理，也沒有制作全部的表面高傳導（圖1d，如圖s9）。納米槽很牢固的吸附在基底上，且不能被膠帶剝落（添加影片S1）。

超過80nm的金屬薄膜通常具有低的透明度，但是金屬納米槽具有高的透明度（如圖S10）。圖2a將各種表面電阻Rs以玻璃為基片的金屬納米槽電極的透明度進行劃分。銅，金和銀納米槽在90%的透光率下的電阻值分別為2.8Ω和10Ω。銅納米槽網(wǎng)格表現(xiàn)出最好的性能——透光率為90%2的電阻為20Ω，95%時為10Ω，以及97%時電阻為17Ω——這一性能可以與最先進的ITO相媲美，而且優(yōu)于其他透明導電電極，例如那些以石墨烯，碳納米管為基體的薄膜，可溶解加工的銀納米線或銅納米線以及金屬網(wǎng)絡、薄的金屬片和導電聚合物。

（圖1 納米槽的制造和的轉(zhuǎn)移過程。a，聚合物納米線模板制造納米槽過程的原理圖。聚合物納米線模板通過靜電紡絲，選擇優(yōu)質(zhì)材料，用標準薄膜沉積技術(shù)來進行涂層。纖維涂層通過固體基片被轉(zhuǎn)移?；S后被浸在水或者有機溶劑用以清除聚合物纖維模板。b，金納米槽網(wǎng)格和兩個納米槽的連接點的SEM圖。c，獨立的金納米槽的SEM橫截面圖片展示了凹形形狀d，金納米槽網(wǎng)格能夠簡單的轉(zhuǎn)移到各種基體上，包括玻璃載片，PET塑料，紙，紡織品和曲面玻璃燒瓶（從左往右））

納米槽電極的這種卓越的性能歸因于以下幾種重要因素。首先，金屬納米槽是由用一個標準的沉積薄膜工藝生產(chǎn)出來的，沉積工藝生產(chǎn)了高質(zhì)量的金屬。例如，一個單獨的金納米槽有2.2×105Scm-1 的電導率（通過四點探針來衡量），這個可以與他的多晶容量值相比（4.1×105Scm-1）（圖2b，以及圖S12和S13）。相對于與他們的大部分同類物品相比，納米結(jié)構(gòu)的金屬通常有更低的導電性的這個數(shù)據(jù)是很重要的，在合成期間也許由于雜質(zhì)的生成，減少了結(jié)晶質(zhì)量，在表面有污垢或表面活性劑，以及電子散射。例如單晶的銀納米線的導電性大約低于多晶的十倍。相反的，我們的納米槽展現(xiàn)的電導率接近多晶的一半，可能是由于蒸發(fā)造成的結(jié)果，生產(chǎn)了清潔和高質(zhì)量的金屬。

第二，納米槽形成了高度均勻、相互聯(lián)結(jié)的網(wǎng)格狀。這些納米槽電極的特性由滲透理論描述出來（如圖S11）。這些納米槽網(wǎng)格需要有特殊的過濾參數(shù)來完成高性能透明導電電極（如表S1）。它表明過濾參數(shù)主要依賴于網(wǎng)格的均勻性。改進方案之所以能夠被觀察歸因于網(wǎng)格在空間上的一致性，這個網(wǎng)格是通過靜電紡絲的方法均勻分布在聚合物納米線模板上完成的。納米槽網(wǎng)格的這種互相聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)也避免產(chǎn)生了大量的連接電阻，金屬納米線網(wǎng)格中的普通障礙物。

第三，納米槽的凹形減少了電磁的橫截面，相對于平的納米條允許了更多的可見光通過。（如圖S15）金屬納米槽網(wǎng)格表現(xiàn)出了一個從300nm到2000nm的透明光譜（圖2c，如圖S16）。一些光電設備通過一些額外的彩色修正部件得到令人滿意的寬頻光譜，使紅外傳感器和偵測器的應用成為可能，以及能夠通過利用紅外光譜提高太陽能電池的效率（常見的ITO導體變得幾乎不透明）。

化學穩(wěn)定性是透明導電的另一個需要我們注意的重點。附加圖S17展示了各種金屬納米槽網(wǎng)格在受到高溫和濕度的影響時電阻的改變。通過表面鈍化使化學穩(wěn)定性提高，以及證明我們之前對銅納米線做的研究。納米槽的鈍化已經(jīng)超出了我們當前的研究范圍，它將成為未來的研究課題。

我們的金屬納米槽網(wǎng)格是可以彎曲的，且能伸展、能折疊。為了檢測他們的機械性能，我們將納米網(wǎng)格轉(zhuǎn)移到178μm厚的PET基片上，彎曲這個薄膜達到2mm的半徑范圍或者彎曲2000次，使薄膜厚度達到20mm。彎曲之后再次測試這個透明電極，我們沒有發(fā)現(xiàn)導電性有顯著的衰減。但是與此相反的是ITO薄膜在彎曲小于50毫米，或者彎曲20毫米超過20次之后導電性有嚴重的衰減。透明電極的延展性通過轉(zhuǎn)移納米槽網(wǎng)格纖維底片來檢測，而不是表面活化。在單向拉伸產(chǎn)生50%的應變時薄膜的電阻增加了40%，它可以與碳納米基的透明彈性導體的性能相比，而且在很大程度上對于相似厚度的金屬薄膜在電阻上還有很顯著的增加。

將納米槽網(wǎng)格轉(zhuǎn)移到了紙上來測試其在極端條件下的機械性能。把電極壓碎然后展開在紙上，我們發(fā)現(xiàn)電極仍保持導電性，且在電阻上僅僅發(fā)生了有限的改變（如圖3a，以及S18）。這個機械學上的原理是，在折疊期間納米槽仍保持連續(xù)，經(jīng)過納米級變形來緩和外部壓力。而且從SEM圖中可以看出，獨立的金屬納米槽網(wǎng)格能夠折疊而不會破損。這些耐用的納米槽網(wǎng)格也能夠轉(zhuǎn)移到商業(yè)的透明膠帶上去，可以生產(chǎn)透明導電膠帶。這個透明導電膠帶能夠很容易的黏住材料表面，且不需要表面處理而使材料表面導電。這個新的技術(shù)也許能簡單地用運在光電設備集成上，也可以擴大透明導電電極應用的領(lǐng)域。

由于金屬納米槽電極的一些優(yōu)勢，包括容易制作，不需要轉(zhuǎn)移，高的透明度和良好的柔韌性，因此這些電極也能夠應用在實際的光電設備上。事實上，我們已經(jīng)展示了一個高性能的納米槽，并與有抵抗性的觸摸屏裝置合為一體。這個裝置的操作展示在動畫S3。

最后，連續(xù)的金屬納米槽獨特的凹形和納米級尺寸也可以引起一些光學特性。為了理解入射光掃描和納米槽之間的作用關(guān)系，我們用數(shù)字解決麥克斯韋方程，并獲得納米槽周圍光強度的擬域分布。我們的仿真預言了局部“光集中”現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)有關(guān)，在金屬納米槽附近有效的聚合了光。對于橫向磁場極化，掃描強度幾乎是表面離子效應環(huán)繞功能區(qū)內(nèi)部的七倍。有趣的是，橫斷面電子極化，甚至沒有表面離子效應，納米槽仍然能夠提供一個有效的的輕聚合效果，包括通過中心6.5處的因素使掃描強度加強。這是由于功能區(qū)獨特的橫截面，宏觀水槽反光鏡的活動是為了獲取中心掃描強度的最大值。這種獨特的局部光聚合效應在一些光電子的應用上是有希望的，包括太陽能電池，太陽能燃料，光輔助局部化學反應以及光量傳感器等。

總之，我們發(fā)現(xiàn)金屬納米槽透明導電電極表現(xiàn)出卓越的光電子性能（對比同等級的ITO）和優(yōu)越的機械性能（能夠忍受巨大的彎曲和拉伸應力）。它們的合成是基于標準的靜電紡絲和金屬沉積技術(shù)，能夠簡易的合成并能被人們?nèi)菀捉邮堋＿@樣的金屬納米槽電極能夠取代ITO，它可以廣泛的應用在太陽能電池，觸摸傳感器以及平板顯示器，還可以用于一些新型的應用領(lǐng)域例如柔韌電子和皮膚傳感器。

方法：

納米槽的制作：高分子納米纖維模板通過靜電紡絲合成，低成本和高質(zhì)量制備連續(xù)超長的納米纖維是一項卓越的技術(shù)?？扇苡谒木酆衔锇≒VA和PVP，被用作原材料來生產(chǎn)自然可降解的聚合物模板。前驅(qū)體溶液是通過將聚合粉添加到去離子水中，然后加熱到80℃保持10小時來制備的。

15kv的電壓被用到高電壓源的溶液。獨立的纖維逐步形成一個網(wǎng)格，收集在銅的框架上。納米纖維的密度通過改變靜電紡絲的時間來控制。金屬納米槽通過鉻、金、銅、銀和鋁、白金和鎳的電子束蒸發(fā)來形成一個1×10-6Pa的底面壓力。對于應用在透明電極的金屬納米槽網(wǎng)格，在一個恒定的10nm厚度的地方放了全部的金屬，除非有其他說明。在蒸發(fā)期間式樣的溫度維持在60℃以下。硅和ITO納米槽的產(chǎn)生是基于125W的低功率和5托的壓力電磁噴射而產(chǎn)生的。值得注意的是納米槽的質(zhì)量會受到聚合物模板的選擇的影響。因此，PVP納米纖維模板通過金，鉑，硅和ITO的納米槽來選擇，然而PVA納米纖維模板被用在銅，銀和鋁上。（蒸鍍是將待成膜的物質(zhì)置于真空中進行蒸發(fā)或升華，使之在工件或基片表面析出的過程。）

對于光學和電學的的描述。這個薄膜的電阻用四點探針裝配的萬用表來測量，以便排除接觸電阻。納米槽的導電性是用一個獨立的納米槽裝置來決定的。對導電網(wǎng)格用乙醇進行超聲處理，以形成懸浮的單個的納米槽。納米槽澆鑄到氧化硅基體上，并且用標準的電子束影印和鉻或金的熱蒸發(fā)的手段將圖案印到裝置上。納米槽裝置用安捷倫科技公司B1500A半導體裝置分析儀來進行測量。用石英鎢鹵族燈作為光源來測量透光率，外加單色儀來控制波長。虹膜和凸透鏡用來聚焦光線到1mm×2mm，而且分束器將光線分離成完整的球面和光電二極管。為了強有力的校準光，將光電二極管與靜電計相連。將樣品放在積分球面上，因此球面光，漫射光和薄霧全部被包含進去。同一玻璃載片被用來參考。一個能量測算單位被用來衡量來自積分球的光電流，透射比基于參考平面的玻璃滑動來計算。因此，標準的透射比不包括玻璃基板的透射比。

觸摸屏裝置的制作。四線模擬觸摸屏裝置是由來自TVI電子工業(yè)重裝的。用一個PET薄膜和ITO玻璃塊的ITO電極組成2.8英寸的一個裝置，通過聚合物墊片方格來隔開。在重建裝置中，ITO和PET薄膜被一個178μm厚的PET的金納米槽網(wǎng)格所代替。為了制備金納米槽透明導電電極原件，金納米槽網(wǎng)格被移動到PET基片，然后用具有塑料硬膜的400nm厚的銅線對其進行圖案裝飾。銅電路允許金納米槽電極與商業(yè)的控制器結(jié)合，而且它與計算機形成界面。三明治結(jié)構(gòu)的裝置最終被雙面膠帶密封了。測試的軟件也是由商家提供。

圖1為聚合物納米纖維模板制備納米槽的原理圖。聚合物納米纖維模板第一次通過靜電紡絲的方式來制備，然后涂上上等材料用標準的薄膜沉積技術(shù)。這個涂層纖維被轉(zhuǎn)移到固體基片上。為了溶解掉聚合物纖維模板這個基片隨后被浸在水里或者有機溶劑。

圖2為金屬納米槽網(wǎng)絡（左）和兩個納米槽的接點的頂視ＳＥＭ圖片。

圖３單壁金屬納米槽的橫截面ＳＥＭ圖片，展示了它的凹面形。

圖４金屬納米槽網(wǎng)絡能夠很容易的轉(zhuǎn)移到各種基片上，包括玻璃載片，ＰＥＴ塑料制品，紡織品和曲面玻璃燒瓶（如圖從左向右）。

銅，金，銀和鋁納米槽網(wǎng)絡的表面電阻和透光率的對比，這可以通過滲透理論來描述。ITO，碳納米管，石墨烯，銀納米線，銀網(wǎng)格以及鍍鎳薄膜表現(xiàn)出的性能作對比。值得注意的是提到的透射比并不包括基片的透射比。

D，對在178微米厚的PET基體上涂抹ITO薄膜以及金納米槽網(wǎng)格的透明電極組合在彎曲下電阻的變化。E，金納米槽電極和ITO電極涂抹在PET薄膜上在10mm的半徑范圍上彎折不同次數(shù)對電阻的影響。F，對可伸展的透明電極包含涂在0.5mm厚的PDMS的基底上的金納米槽網(wǎng)格進行拉伸來看對Rs的影響。金薄膜相對于納米槽發(fā)生了很快的退化。

第四篇：溶膠-凝膠論文：溶膠—凝膠與納米材料修飾電極及其電化學性質(zhì)

溶膠-凝膠論文：溶膠—凝膠與納米材料修飾電極及其電化學性質(zhì)

【中文摘要】近年發(fā)展起來的溶膠-凝膠技術(shù),其載體為無機多孔材料,具有許多高分子無法比擬的特性,為納米材料的固定提供了更廣闊的空間。納米材料具有比表面積大、催化活性高、親和力強等特點,在電催化及傳感器材料領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。研究表明,電化學過程與電極材料的表面性質(zhì)密切相關(guān)。由于該材料的尺寸效應和介電限域效應等特性,將納米材料修飾到電極表面,能增加電流響應,降低檢測限,大大提高檢測的靈敏度。本論文致力于溶膠-凝膠與納米材料修飾電極的制備及其電催化性能的研究,修飾電極過程簡單、方便,實現(xiàn)了將溶膠-凝膠、納米材料、修飾電極和電分析化學的有機結(jié)合。主要工作如下:1.3-氨丙基三乙氧基硅烷單層修飾電極及其表面非均相擴散:鉑納米花的形成及其電催化性質(zhì)3-氨丙基三乙氧基硅烷在鉑電極表面形成單層修飾膜,誘導鉑納米花在其表面形成。我們通過場發(fā)射掃描電鏡、X-粉末衍射和電化學方法表征了得到的鉑納米花的性能。本工作細致探討了鉑納米花的生長機理,可能的解釋是PtCl62-離子在鉑電極表面的不均勻擴散。我們還發(fā)現(xiàn)鉑納米花修飾電極比鉑納米修飾電極對甲醇的氧化和氧氣的

【英文摘要】Recently, sol-gel-based nanomaterials and devices have been extensively applied in all kinds of fields due to their porous structure, good mechanical strength and

long-term stability.It is well-known that the electrochemical responses of modification electrodes are related to the electrode materials.Current response can be improved and detection limit can be extended when the nanomaterials modified electrodes are employed.The main work of this paper is focus on preparation of sol–gel-based materials and novel nanomaterials modified electrodes, which have been used to investigate the electrocatalytic properties.Compared with the traditional electrodes, the modification process is simple and convenient.Moreover, the above proposed electrodes have been used to detect and analysize some analysts, such as methanol, oxygen, and hydrogen peroxide.The details are listed below:1.Inhomogeneous Diffusion on Electrode Surface Induced by（3-Aminopropyl）triethoxysilane Monolayer: the Formation of Pt Nanoflowers and its ElectrocatalysisHierarchical flowerlike Pt（Pt nanoflowers, PtNFs）nanostructures have been formed on the surface of Pt electrode induced by 3-aminopropyltriethoxysilane（APTES）monolayer.Scanning electron microscopy, X-ray powder diffraction, and electrochemical methods have been used to characterize the properties of these obtained PtNFs.The growth mechanism of the PtNFs has been discussed carefully, which may be due to the

inhomogeneous diffusion of PtCl62-ions on the surface of Pt electrode.It has been found that the PtNFs modified electrodes exhibit excellent electrocatalytic activity towards the oxidation of methanol and the reduction of oxygen compared to Pt nanoparticles modified electrodes.The increased catalytic activity may be a result of the unique morphology of the PtNFs.2.Electrochemically deposited sol-gel-derived silicate films and the electrochemical properties of pore electrodeSol gel-derived silicate films were electrochemically deposited on conductive surfaces from a sol consisting of tetramethoxysilane（TMOS）.In this method, a sufficiently negative potential is applied to the electrode surface to reduce oxygen to hydroxyl ions, which serves as the catalyst for the hydrolysis and condensation of TMOS.The electrodeposited films were characterized for their surface morphology, electrochemical probe techniques.The electrodeposited films were found to have a completely different surface structure and to be significantly rougher relative to spin-coated films.This is likely due in part to the separation of the gelation and evaporation stages of film formation.The pore electrode was fabricated by electrodeposited in negative potential, which was

characterized by Scanning electron microscopy and electrochemical methods.The electrode was applied in biosensor fields.3.Electrochemical synthesis Au@Pt nanoparticles on choline chloride modified glassy carbon electrode for sensitive detection hydrogen peroxideA simple electrochemical sensor for sensitive determination of hydrogen peroxide was fabricated by electrochemical synthesis of Au@Pt nanoparticles（core@shell）on the surface of choline chloride（Ch）modified glassy carbon electrode（GCE）.Ch was used to combine metal ions, and also played a dual role of stabilizer in the construction of Au@Pt nanoparticles.Au nanoparticles was immobilized on the Ch by underpotential electrodeposition（UPD）process.A one-atom-thick shell of Cu was modified on the Au core by electrochemical underpotential deposition, and then this modified electrode was put into H2PtCl6 solution, the Cu monolayer was replaced with Pt by galvanic exchange.The obtained Au@Pt nanoparticles were characterized by scanning electron microscope（FE-SEM）and electrochemical techniques.As a result, the Au@Pt（core@shell）exhibited remarkable electrocatalytic activity towards the reduction of hydrogen peroxide.Under the optimum conditions, Chronoamperometric experiments showed that at an applied potential of 10mV（AgCl），the reduction current of H2O2 was linear to its concentration in the range of 32uM to 2.496mM and a low detection limit of 1.0×10-6 M, the promising electrochemical sensor was investigated against ascorbic acid（AA）and uric acid（UA）, the results demonstrated that the sensor exhibited stability, repeatability, and selectivity.【關(guān)鍵詞】溶膠-凝膠 納米材料 修飾電極 電催化

【英文關(guān)鍵詞】sol-gel nanomaterials modified electrode electrocatalysis 【目錄】溶膠—凝膠與納米材料修飾電極及其電化學性質(zhì)要5-7ABSTRACT7-9

第一章 綜述11-20

摘

1.1 溶膠-凝膠的制備、性質(zhì)及應用11-12及應用12-161617-20

1.2 納米粒子制備、性質(zhì)

1.3 雙金屬核-殼結(jié)構(gòu)納米復合電極的構(gòu)建

16-17

參考文獻1.4 本論文的研究目的和設想第二章 3-氨丙基三乙氧基硅烷單層在電極表面非均相

20-39

2.1 前言散: 鉑納米花的形成及其電催化性質(zhì)20-2122-342.2 實驗部分21-222.4 結(jié)論34-35

2.3 結(jié)果與討論參考文獻35-39

第三章

電化學沉積四甲氧基硅烷膜孔狀電極及其電化學性質(zhì)39-483.1 前言39-40

3.2 實驗部分40-41

參考文獻47-48

3.3 結(jié)果與討論41-473.4 結(jié)論47第四章 在膽堿修飾的玻碳電極上電化學合成 Aucore@ Ptshell 納

米粒子用于雙氧水的檢測48-59實驗部分49-5057

4.1 前言48-494.2

4.3 結(jié)果與討論50-57

工作展望59-60

4.4 實驗結(jié)論附錄：研究參考文獻57-59生期間發(fā)表論文及獲獎情況60-61致謝61

第五篇：各類電池的電極反應、優(yōu)缺點、自放電、解決方法及密封措施

1、化學電源的分類（1）按工作性質(zhì)分: 1.原電池，又稱一次電池:例如:Zn一MnO2，Zn一HgO，Zn一AgO，鋰電池等。2.蓄電池，又稱二次電池:例如:Pb一PbO2，Cd—NiOOH等。3.貯備電池，又稱激活式電池:Mg—ClAg，Zn—AgO。4.燃料電池，又稱連續(xù)電池:H2-O2燃料電池。（2）按電解質(zhì)的性質(zhì)分: 1.電解質(zhì)為堿性水溶液一堿性電池(例:Cd—NiOOH)2.電解質(zhì)為中性水溶液一中性電池(例:Zn一MnO2)3.電解質(zhì)為酸性水溶液一酸性電池(例:鉛酸電池)4.電解質(zhì)為有機電解質(zhì)溶液一有機電解質(zhì)電池(例:鋰離子電池)5.電解質(zhì)為固體電解質(zhì)一固體電解質(zhì)電池(例:鋰碘電池)（3）按正負極活性物質(zhì)的材料分: Zn一MnO2系列電池、Zn一AgO系列電池、Cd—NiOOH電池、鉛酸電池、氫鎳電池、鋰離子電池、海水電池、溴一鋅蓄電池等等。（4）活性物質(zhì)的保存方式分: 1.活性物質(zhì)保存在電極上:通常的一次、二次電池。2.活性物質(zhì)從外邊連續(xù)供給電極:燃料電池。

2、電池自放電

（1）發(fā)生自放電的原因: 從熱力學上看，產(chǎn)生自放電的根本原因是由于電極活性物質(zhì)在電解液中不穩(wěn)定引起的。因大多數(shù)的負極活性物質(zhì)是活潑的金屬，它在水溶液中的還原電位比氧負極要負，因而會形成金屬的自溶解和氫析出的共扼反應，使負極活性物質(zhì)不斷被消耗。正極活性物質(zhì)同樣也會與電解液或電極中的雜質(zhì)發(fā)生作用被還原而產(chǎn)生自放電。

其他原因:1.正負極之間的微短路或正極活性物質(zhì)溶解轉(zhuǎn)移到負極上必須采用良好的隔膜來解決。2.電池密封不嚴，進入水分、空氣等物質(zhì)造成自放電。（2）克服自放電的方法:采用高純的原材料、在負極材料中加入氫過電位高的金屬(Hg，Cd，Pb)、在電極或溶液中加入緩蝕劑來抑制氫的析出。鋅—二氧化錳電池

一、鋅負極的自放電: 鋅電極產(chǎn)生自放電的原因：

1.氫離子的陰極還原所引起的鋅的自放電（主因）2.氧的陰極還原所引起的鋅電極的自放電3.電解液中的雜質(zhì)所引起的鋅電極的自放電 影響鋅電極自放電的因素

1.鋅的純度及表面均勻性的影響。2.溶液pH 值的影響。3.電液中NH4Cl、ZnCl2濃度的影響。4.溫度的影響。

二、降低鋅負極自放電的措施：

1.加添加劑，在金屬鋅中加入添加劑、在電解液中加入緩蝕劑。2.保證原材料的質(zhì)量達到要求。3.對電解液進行凈化。4.貯存電池的溫度低于25℃。5.電池要嚴格密均。

Cd/Ni00H電池

因為負極鎘在電解液中的平衡電極電勢比氫的正，不易構(gòu)成自發(fā)腐蝕電池，而且氫在鎘上的析出過電位很大，所以鎘鎳電池自放電小。氫鎳電池

一、影響鎳氫電池自放電的因素:(1)成分自分解(構(gòu)成正極的氫氧化鎳的熱、動力學不穩(wěn)定性),正極成分分解產(chǎn)生的氧可能到達負極,造成正負極活性物質(zhì)的損失,相應的容量也會降低。(2)儲氫合金負極上產(chǎn)生的氫到達正極,與正極反應造成活性物質(zhì)損失,相應的容量降低。(3)由于正極上雜質(zhì)氮化物的存在,引起亞硝酸鹽和氨之間的氧化還原穿梭反應的進行,使得正極退化,容量降低。(4)負極表面由于氧化造成的負極退化,從而負極容量損失(5)鎳氫電池內(nèi)壓的形成和電解液泄漏。

二、降低氫鎳電池自放電的措施：

1、改變電極組分和合金成分的作用;

2、采用正極添加材料，添加Co、Mn類化合物等。

3、對隔膜進行改性，使用具有OH-交換功能的聚合物薄膜改善電池的自放電和循環(huán)壽命性能。

4、存放環(huán)境應干凈整潔,以防灰塵中含有導體物質(zhì)而使電自放電加快。

5、電池應帶電儲存，其儲存溫度以20±5℃為宜。鉛酸蓄電池的自放電

一、負極產(chǎn)生的自放電

由于負極活性物質(zhì)鉛為活潑的金屬粉末電極，在硫酸溶液中，電極電位比氫負，可以發(fā)生置換氫氣的反應。影響鉛自溶速度有以下幾方面：（1）鉛自溶速度隨硫酸濃度及電解液溫度的增加而增長。（2）負極表面雜質(zhì)的影響，負極表面有各種金屬雜質(zhì)存在，當雜質(zhì)的氫超電勢值低時，就能與負極活性物質(zhì)形成腐蝕微電池，從而加速了鉛的自溶速度。例如銻、鐵、銀等金屬存在時。（3）正極PbO2反應析出的氧氣很容易在負極被還原吸收，從而促使負極鉛自溶。（4）隔板、電解液中含有的金屬雜質(zhì)與負極活性物質(zhì)產(chǎn)生的微電池促使負極鉛自溶。

二、正極產(chǎn)生的自放電

（1）正極板柵中金屬銻、金屬鉛及金屬銀等的氧化。（2）極板孔隙深處和極板外表面硫酸濃度之差所產(chǎn)生的濃差電池引起自放電，這種自放電隨著充電后的擱置時間而逐漸減小。3）負極產(chǎn)生氫氣的影響4）隔板電解液中雜質(zhì)影響，若在隔板或電解液中存在易被氧化的雜質(zhì)，會引起正極活性物質(zhì)的還原而產(chǎn)生自放電。（5）正極活性物質(zhì)中鐵離子的影響。鋰離子電池自放電

自放電的原因： 1.造成可逆容量損失的原因：可逆容量損失的原因是發(fā)生了可逆放電反應，原理跟電池正常放電反應一致。不同點是正常放電電子路徑為外電路、反應速度很快；自放電的電子路徑是電解液、反應速度很慢。

2.造成不可逆容量損失的原因：A:正極與電解液發(fā)生的不可逆反應（相對主要發(fā)生于錳酸鋰、鎳酸鋰這兩種易發(fā)生結(jié)構(gòu)缺陷的材料）。B:負極材料與電解液發(fā)生的不可逆反應（化成時形成的SEI膜就是為了保護負極不受電解液的腐蝕。）C:電解液自身所帶雜質(zhì)引起的不可逆反應，消耗了電解液中的鋰離子，進而損失了電池容量。D:制成時雜質(zhì)造成的微短路所引起的不可逆反應?？諝庵械姆蹓m或者制成時極片、隔膜沾上的金屬粉末都會造成內(nèi)部微短路。

如何實現(xiàn)電池的密封？

實現(xiàn)電池密封必須解決三個問題:

1、負極在電解液中穩(wěn)定，不會自動溶解而析出氫氣;負極物質(zhì)過量，使正極在充電完全而產(chǎn)生氧氣時，負極上仍有未充電的活性物質(zhì)存在，保證負極上不會由于過充電而析生氫氣；正極上產(chǎn)生的氧氣易于在負極上還原即負極活性物質(zhì)可以吸收正極上生成的氧氣。

2、有一定的氣室，便于氧氣遷移。

3、采用合適的隔膜，便于氧氣通過，促進氧氣快速向負極擴散。Cd/Ni00H電池的密封措施：

1、負極的容量大于正極容量，當正極發(fā)生過充電時，負極上還有過量的Cd(OH)2仍可進行還原，因而不會發(fā)生析氫過程。而正極充電和過充時產(chǎn)生的O2可以與負極還原成的Cd發(fā)生反應而消除，構(gòu)成鎘氧循環(huán)。

2、控制電解液用量。

3、采用多孔薄型鎳電極和福電極，極間距減小，有利于氧氣向負極擴散以及氧氣的吸收。

4、采用微孔隔膜。5.在氧化鎳電極中加入反極物質(zhì)Cd(OH)2。一旦電池過放電時，正極中的Cd(OH)2(反極物質(zhì))可進行陰極還原，因此防止了正極上析氫。若負極也過放產(chǎn)生氧氣則又可被正極中反極物質(zhì)生成的鎘所吸收，構(gòu)成鎘氧循環(huán)。

6、使用密封安全閥

7、正確使用和維護電池，嚴格控制電池的充放電制度和對工作溫度的控制。

鉛酸蓄電池密封措施：

鉛酸蓄電池采用負極活性物質(zhì)過量設計，正極在充電后期產(chǎn)生的氧氣擴散到負極，與負極海綿狀鉛發(fā)生反應變成水，使負極處于去極化狀態(tài)或充電不足狀態(tài)，達不到析氫過電位，所以負極不會由于充電而析出氫氣，電池失水量很小，故使用期間不需加酸加水維護。氧循環(huán)如下： 正極：PbSO4+H2O——PbO2+O2-----擴散 負極:

PbSO4----------Pb

O2

H2O---------H2SO4+PbO 負極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產(chǎn)生的O2反應而被氧化成PbO，另一方面是極板中的硫酸鉛又要 接受外電路傳輸來的電子進行還原反應，由硫酸鉛反應成海綿狀鉛。金屬氫化物鎳電池密封措施：

電池設計和鎘鎳電池基本相同，負極容量比正極容量大，過充電時，正極產(chǎn)生的氧氣在貯氫合金負極上還原，過放電時，在鎳電極析出的氫氣則可被氫化物電極吸收，電池可實現(xiàn)密封設計。

過充電時：正極：4OH------2H2O+O2+4e氧循環(huán) 負極：2H2O+O2+4e-----4OH-過放電時：正極：2H2O+2e----2OH-+H2氫循環(huán) 負極：2OH-+H2----2H2O+2e

如何提高活性物質(zhì)的利用率？

影響活性物質(zhì)的利用率主要有以下幾點：⑴活性物質(zhì)的活性，活性大小與其晶型結(jié)構(gòu)、制造方法、含雜多少以及表面的狀態(tài)有密切的關(guān)系，活性高的其利用率也高。有時活性物質(zhì)吸附一些有害雜質(zhì)也會使活性降低，造成電池容量下降。⑵電極和電池的結(jié)構(gòu)，電極的結(jié)構(gòu)包括電極的成型方法、極片的孔徑、孔率、厚度，極片的真實表面積的大小等。在活性物質(zhì)相同的條件下，極片越薄，其活性物質(zhì)的利用率越高；電極的孔徑大一些孔率高一些，有利于電解液的擴散，但是孔徑過大、孔率過高，電子導電的電阻增大，因此孔徑和孔率要適當，利用率才會較高；極片的真實表面積越大，活性物質(zhì)的利用率也越高。⑶電解液的數(shù)量、濃度和純度。電解液的濃度要保證其有較高的導電率；電解液的純度越高，活性物質(zhì)的利用率也越高。另外，影響活性物質(zhì)利用率的外在因素則是放電制度，I放越大，利用率越小；T放越高，利用率越大；V終越高，利用率越小。

電極反應

堿性鋅—二氧化錳電池

正極：2MnO2+2H2O+2e-----2MnOOH+2OH-負極：Zn+2OH--2e----Zn(OH)2==ZnO+H2O 總反應：Zn+2MnO2+2H2O---2MnOOH+Zn(OH)2 鉛酸蓄電池

正極：PbO2+3H++HSO4-+2e----PbSO4+2H2O 負極：Pb---Pb2++2e Pb2++HSO4-----PbSO4+H+ 總反應：Pb+PbO2+2H2SO4-----2PbSO4+2H2O Cd/Ni00H電池

負極：Cd+2OH-----Cd(OH)2+2e

正極：2NiOOH+2H2O+2e----2Ni(OH)2+2OH-

總反應：Cd+2NiOOH+2H2O----2Ni(OH)2+Cd(OH)2 高壓鎳氫電池

負極：1/2H2+OH------H2O+e

正極：NiOOH+H2O+e----Ni(OH)2+OH-總反應：NiOOH+1/2H2-----Ni(OH)2 低壓鎳氫電池（金屬氫化物鎳電池）負極：MH+OH------M+H2O+e

正極：NiOOH+H2O+e------Ni(OH)2+OH-總反應：NiOOH+MH-----Ni(OH)2+M 鋅---氧化銀電池

Zn+2AgO+H2O-----Zn(OH)2+Ag2O Zn+Ag2O+H2O----Zn(OH)2+2Ag 鋰離子電池

正極：LiCoO2----Li1-xCoO2+xLi++xe 負極：6C+xLi++xe-----LixC6

總反應：6C+LiCoO2-----LixC6+Li1-xCoO 堿性鋅錳電池特點 1.放電性能好:容量高，可大電流連放，放電曲線平穩(wěn)。2.低溫性能好:可以在-40℃的溫度下工作。性能：

1、堿錳電池的開路電壓約為1.55v，工作電壓約為1.25v。

2、電池內(nèi)阻小，在快速放電時能提供足夠的容量，而且在低溫(一20℃)下，其放電容量相當于干電池室溫下的數(shù)量。

3、放電曲線相當平坦，放電到終止電壓(0.9v)時，放電量明顯高于其他鋅錳電池。鉛酸蓄電池的優(yōu)缺點

優(yōu)點:1.原料易得，價格相對低廉;2.高倍率放電性能良好;3.溫度性能良好，可在-40~+60℃的環(huán)境下工作4.適合于浮充電使用，使用壽命長，無記憶效應;5.廢舊電池容易回收，有利于保護環(huán)境。缺點:1.比能量低，一般為30一40Wh/kg;2.使用壽命不及Cd/Ni電池3制造過程容易污染環(huán)境，必須配備三廢處理設備。Cd/Ni00H電池的優(yōu)缺點

優(yōu)點:使用壽命長，蓄電池自放電小，使用溫度范圍廣，耐過充過放，放電電壓平穩(wěn)，機械性能好。缺點:活性物質(zhì)利用率低，成本較高，負極鎘有毒，電池長期淺充放循環(huán)時有記憶效應。高壓氫鎳電池

優(yōu)點:較高的比能量，循環(huán)壽命長，耐過充、過放，能力強，以及可.以通過氫壓來指示電池荷電狀態(tài)。

缺點:成本高，密封難，自放電大，安全性低.低壓氫鎳電池(金屬氫化物鎳電池)

1、耐過充過放能力強

2、容量和比能量提高1.5一2倍;電池壽命相當.3、自放電較大，環(huán)境污染小，無記憶效應。鋅一氧化銀電池

優(yōu)點:(1具有很高的比能量(2)很高的放電速率(3)平穩(wěn)的放電電壓(4)較小的自放電速率.缺點:(1)成本很高(2)壽命較短(3)高低溫性能較差 鋰電池

優(yōu)點:①比能量高，放電電壓高(3.0v}②工作電壓平穩(wěn)③使用溫度范圍寬(-40℃一+50℃)④體積小、重量輕⑤濕儲存壽命長⑥資源豐富，性價比高

缺點:①安全性·某些鋰非水溶液電池，如Li/SO2等電池，在重負荷放電，特別是當外部短路時會發(fā)生爆炸。②成本高。鋰電池在制作過程中要避免與水接觸。所用有機溶劑和無機鹽均需徹底除去水份，這就提高了成本，另外，有些正極活性物質(zhì)的成本也較高。③比功率低。有些鋰電池(如有機電解液的鋰電池)由于有機電解液的比電導較小，放電電流密度提不高，故其比功率較低。鋰離子電池

優(yōu)點：

1、工作電壓高。通常單體鋰離子電池的電壓為3.6V，為鎘鎳和鎳氫電池的3倍。

2、體積小、重量輕、比能量高。利于便攜式電子設備小型輕量化。

3、安全快速充電。采用1C充電速率，可在2h內(nèi)充足電，且安全性能大大提高。

4、壽命長。

5、工作溫度范圍寬?？稍?20℃~60℃之間工作，高溫放電性能優(yōu)于其它各類電池。此外，鋰離子電池還具有自放電小、無記憶效應、無污染等優(yōu)點。缺點:

1、內(nèi)電阻高。電解液為有機溶液，其電導率比鎘鎳、鎳氫電池電解液小得多，內(nèi)電阻約大10倍。

2、工作電壓變化較大。

3、放電速率較大時，容量下降較大。