儲能用炭材料電池用炭材料超級電容器用炭材料燃料電池用炭材料儲能器件一次電池二次電池鋰離子二次電池鎳氫電池超級電容器燃料電池直接甲醇型燃料電池（DMFC)質子交換膜燃料電池(PEMFC)固體氧化物燃料電池（SOFC)常見電池的比能量對比鋰離子電池理論比能量與實際比能量的關系電池比能量的發展鋰離子電池可望在這個10年中達到210Wh/Kg如何提高電池的能量密度新型電池體系新型電池結構設計新型高容量電池材料鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解質四部分組成正極：以LiCoO2為代表的一些過渡族金屬氧化物，是鋰離子電池中的鋰源負極：碳材料隔膜：聚丙烯多孔材料電解質：有機電解質，EC、PC、DEC、DMC等的混合物為溶劑，LiPF6、LiClO4等為電解質鹽。鋰離子電池鋰離子電池工作原理充電時，鋰遷出正極，嵌入碳負極放電時，鋰遷出負極，重新回到正極

鋰離子電池工作原理示意圖負極反應式：正極反應式：電池反應式：鋰離子電池炭負極材料MCMBSynthesizedgraphiteNaturalgraphiteFlakeMicrocrystalline鋰離子電池炭負極材料1989年SONY公司開發出石油焦類負極材料，并首次成功地應用于商業化鋰離子電池。1993年MCMB開始應用于負極材料，其特點是容量較高、首次效率高、循環性能好。最大缺點是制備復雜，價格昂貴。一些硬炭和軟炭材料具有較高的容量，但不可逆容量較高。天然石墨比容量高、價格低廉的特點，具有廣闊的開發潛力。目前已經得到了部分應用。改性等方法能提高負極材料的性能，各種改性負極材料得到了廣泛研究。GIC貯鋰機理GraphiteIntercalationCompoundC/Li的最大理論比只能達到6，即LiC6理論比容量為372mAh/g首次不可逆量及SEI膜理論首次不可逆量：在首次充放電過程中，容量損失的部分。碳負極在首次嵌鋰時，在負極表面形成一層對電子絕緣而對離子導電的固體電解質層SEI膜SEI層的形成是首次不可逆容量損失的主要來源

石墨首次充放電曲線石墨表面可能發生的化學反應天然石墨的改性研究缺點1.首次不可逆損失大2.電極材料與電解質的相容性差3.循環穩定性差等缺點改性1.整形2.包覆3.表面修飾4.摻雜改性5.復合改性改性石墨負極材料－工藝路線天然石墨雷蒙磨初步粉碎石墨干法球形化及表面整形氣流分選高溫純化表面改性前驅體處理表面改性后處理改性天然石墨負極材料產品的性能表征（顯微鏡）

298樣品球形化后的SEMHFP樣品球形化后的SEM

產品的性能表征（粒度檢測

）球形化前石墨粒度組成情況

產品的性能表征（粒度檢測

）球形化后石墨粒度組成情況

鱗片石墨在4000r/m、15分鐘的條件下就能得到很好的球形化效果。球形化鱗片石墨的長徑比為1.23，下降幅度為62％，大大低于球形化前。比表面積由原來的2.57m2/g增加到7.82m2/g。振實密度由0.67g/cm3提高到0.85g/cm3。包覆工藝和設備包覆用酚醛樹脂采用917液態線性酚醛樹脂，固含量62.4％。基本工藝流程如下：高容量的負極材料最有希望取代碳材料的負極材料優勢：高理論容量，Sn

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mAh/g問題：首次效率低，循環穩定性差，循環過程中體積變化大，Sn大于200%解決思路：納米化Sn/C復合微觀結構設計納米Sn薄膜1SnO2納米線2M.Suzuki,et.al.Journalofpowersources,2005,146:452-456Z.Ying,etal.AppliedPhysicsLetters.2005,87:113108Y.Wang,etal.AngewandteChemie.2006,45:7039-7042SnSb填充的CNT3電紡絲——Sn/C納米纖維膜電紡絲的設想：

Sn顆粒的納米化

Sn顆粒在碳基底中的均勻分布實驗方法：PVA+SnCl2+H2O110℃下保溫2h，然后升溫至500℃保溫3h，全程Ar/H2（體積比95:5）氣氛保護宏觀形貌：黑色薄膜，有一定的機械強度SEM表征：由纖維無規則紡織而成，直徑數十至數百納米纖維表面附著部分Sn顆粒

循環過后仍保持無紡膜結構Sn/C納米纖維膜的結構電紡絲產物碳化前的SEM照片；(b)(c)CNWF的SEM照片及其背散射電子像；(d)CNWF纖維的SEM照片及EDS能譜；(e)循環10次后CNWF的SEM照片碳化前碳化后Sn/C納米纖維膜的結構TEM/HRTEM表征：纖維由無定形碳和納米顆粒組成顆粒直徑1-3nm，均勻分散

Sn/SnOx

納米顆粒可能具有良好的電化學性能XRD表征：碳化后形成Sn/SnOx顆粒

SnOx均在循環過程中分解為單質Sn和Li2O多孔Sn/C納米纖維膜（TEPC）的設計TEPC的結構樣品首次循環容量（mAh/g）首次效率20次循環容量（mAh/g）TEPC73561.7%521CNWF39548.4%382純PVA40552.3%291

TEPC具有特殊的孔結構，在Sn/SnOx顆粒周圍預置了縮脹空間，能緩沖Sn在循環過程中的體積變化，提高其電化學性能；

TEPC具有豐富的微孔結構，根據微孔貯鋰機理，能夠提高材料的可逆容量；超級電容器SupercapacitorOrganicsystemInorganicsysteme-e-e-e-e-e-e-e-電源＋－＋－＋－＋－e-e-＋＋－－－－－＋＋－＋－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－＋＋－++++++++－2.8V++－－超級電容器及其恒流放電曲線a,超級電容器，b放電曲線新型儲能裝置—電化學電容器主要特點：功率密度大能量密度較高其它特性：低溫性能好（-70℃

）使用壽命長（>10,0000)充電快速循環效率高無污染 圖1儲能體系功率—能量對比電容器、超級電容器及電池性能的比較

電容器超級電容器電池放電時間10-6-10-3

秒1-30秒0.3-3小時充電時間10-6-10-3

秒1-30秒1-5小時能量密度（Wh/kg）<0.11-1020-100功率密度（W/kg）>10,0001000-200050-200充放電效率約1.00.90-0.950.70-0.85循環壽命無限次>100,000500-2000

具有電容和電池雙重功能，填補了這兩個傳統技術間的空白

追求：高功率密度、高能量密度超級電容器應用便攜式儀器設備；數據記憶存儲系統；應急后備電源、軍工等方面；（快速、連續起動，延長電池的使用壽命）混合電動車（HEV）、純電動車、燃料電池車輔助電源；超級電容器商業化的瓶頸性能和成本＝較好性價比成本來源：材料和制造成本材料：貴金屬氧化物（數千萬元/噸）高分子聚合物（數百萬元/噸）

活性炭纖維布或氈（上百萬元/噸）

粉狀活性炭（＜30萬元/噸）電解液、多孔隔離膜制造成本糊狀電極法：工藝簡單，內阻大、功率密度低燒結成型法：成型工藝太復雜纖維織布法：成本高

連續化涂布技術：制造成本，提高了產品的一致性超級電容器的開發電極膜片制造技術上的突破連續化涂布技術使用廉價的粉狀多孔炭、提高了產品一致性、大大降低了電容器制造成本包裝體系的突破軟包裝體系的應用（解決了電容器的脹氣）能量密度、功率密度、安全性得到了提高超級電容器的結構有機體系超級電容器

ABCDEF溶質LiBF4LiPF6Et4NBF4LiPF6LiPF6LiPF6溶劑DMC/EMC/ECEC/EMC/DMC/GBLPCDMC/DECPCPC/EC有機電解液

DMC為二甲基碳酸酯，EMC為甲乙基碳酸酯，EC為碳酸乙烯酯，GBL為γ-丁內酯，PC為碳酸丙稀酯，Et4NBF4為四乙基四氟化硼酸銨鹽

燃料電池電池類型工作溫度/℃燃料氧化劑AFC室溫~200純氫純氧PAFC100~200純氫重整氣空氣MCFC600~700凈化煤氣、重整氣、天然氣空氣SOFC800~1000凈化煤氣天然氣空氣PEMFC室溫~100純氫凈化重整氣氧氣空氣DMFC室溫~200CH3OH空氣

ApplicationsofDMFC質子交換膜燃料電池（PEMFC）不受卡諾循環限制；能量轉化率高；具有可室溫快速啟動，無電解液流失；水易排出，壽命長；比功率與比能量高等突出優點；特別宜于用作可移動動力，是電動車的理想候選電源之一。

PEMFC膜電極（MEA）PEMFCBipolarPlate雙極板是PEMFC的一個多功能組成部件，它具有支撐膜電極、收集電流、分離與導通氣體和排水等作