4．新能源材料：是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，分
为新能源技术材料、能量转换与储能材料和节能材料等。（镍氢电池材料、锂离子电池材料 、超级
电容器材料、 燃料电池材料、太阳能电池材料、反应堆核能材料、发展生物质能所需的重点材料、
新型相变储能和节能材料等。）
二．电化学基础
3．分类：
4．锂离子二次电池的优缺点： 优点：
（1）高能量密度： 100 Wh/Kg 以上，为镍镉电池的三倍，镍氢电池的两倍； （2）电压平台高：3.6 V，镍基电池为 1.2 V； （3）电化学窗口宽：在-20～60℃的温度范围内工作，低温性能优于其它电池 ； （4）低维护性：没有记忆效应，无需定期放电，最理想的保存方式，就是在 40%充电后冷藏 保存，可以保存达十年之久 ； （5）自放电率低：约 6％/月； （6）循环寿命长：(＞1000 次，100％放电深度)； （7）绿色环保：无重金属，无污染。 缺点： （1）快充放电性能差、大电流放电特性不理想 （2）价格偏高 （3）安全性 5．锂离子电池组成
阳极：与电源正极相连 阴极：与电源负极相连
电极反应
负极：氧化反应，金属失电子
阳极：氧化反应，溶液中的阴离子失电子
正极：还原反应，溶液中的阳离子得 或电极金属失电子
电子
阴极：还原反应，溶液中的阳离子得电子
电子流向 负极 →正极（导线）
电源负极→电解池阴极 电解池阳极→电源正极
原电池
电解池
阴极（还原）：Cu2+（aq）+2e-→Cu（s） 阳极（氧化）：Zn（s）→Zn2+（aq）+2e-
阴极（还原）：2Cl-（aq）→Cl2（g）+2e阳极（氧化）：Cu2+（aq）+2e-→Cu（s）
-2-
先进能源材料
7．能斯特方程（电极电位和电动势的渗透定律）
电极反应：aOx + ne- ⇋ bRed
0.0591V n
lg
[c (Ox) / c ]a [c (Re d) / c ]b
阳极：Ag（s）→Ag+（aq）+e-
阴极：Ag+（aq）+e- →Ag（s）
9．氯碱工业：以盐水为原料，电解制成烧碱、氯气、氢气 。 (1) 接电源“+”极的电极叫 阳极 ,电极上发生 氧化 反应，应选用 石墨 材料。此 极附近溶液中的离子放电能力大小是 Cl->OH- ,此极的电极反应是 2Cl--2e-→Cl2 . (2) 接电源“-”极的电极叫 阴极 ,电极上发生 还原 反应，应选用 Fe 或 C 等 材料。 此极附近溶液中的离子放电能力大小是 H+>Na+ ,此极的电极反应是 2H++2e-→H2 . （考题类似这种形式）
先进能源材料
先进能源材料
编辑：Young
第一章 新能源材料材料与电化学导论
一．新能源材料
1．能源：是指一切能量集中的含能体(如煤炭石油)和能量过程(如风和潮汐)，能到达地球表面
的，都叫做地球上的能源。是社会经济建设和提高人民生活水平的重要物质基础之一。
2．能源的分类：
一次能源：是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。（核能、太阳能、水力、
-5-
先进能源材料
编辑：Young
·有机溶剂的要求： 1.非质子溶剂，为了保证锂盐的溶解和离子传导，要求溶剂有足够大的极性。
2.介电常数要大，粘度要小。εr/η数值越小越好。 3. 熔点要高，冰点要低。 单一溶剂往往不能满足以上要求。一般采用双元或多元有机溶剂混合使用。常用的有机溶剂有：
EC,PC,DEC,DMC 等。 ·电解质要求： 1.化学稳定性和电化学稳定性好 2.电解质盐在有机溶剂中具有较高的溶解度，以保证足够的电导率。阴离子基团体积要大，因为
重要组分 常见材料
材料举例
正极材料 嵌锂过渡金属氧化物
钴酸锂、锰酸锂、钴镍锰三元材料、磷酸铁锂
负极材料
电位接近锂电位的可嵌入锂 人造石墨、天然石墨、石墨化碳材料、金属氧化物等
化合物
LiPF6 的烷基碳酸脂搭配高 乙烯碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）、二乙基碳酸酯
电解液材料
分子材料
（DEC）等
隔膜材料 外壳
盐、固体电解质。特点：导电的同时必伴随电极与溶液界面上发生的得失电子反应；导电能力随
温度升高而增强。
电子导体
离子导体
共同点
在相同时间内，电路任一截面必然有相同的电量通过。满足法拉第定律
不同点
导电机制
自由电子
阴、阳离子
带电粒子
单一
多种
带电荷量
单一
多种（价态）
相互作用
不变
变（浓度）
温度影响
T↓，R↑，导电能力↓
在正负极之间进行反复脱出/嵌入的过程，同时伴随着等当量的电子转移。
锂离子在正负极间摇来晃去，因此，锂离子电池又称为“摇椅电池”。 7．锂离子电池电化学反应机理（会写方程式） （1）正极材料：以 LiCoO2 为例 ；负极材料：以石墨 C 为例
（2）正极材料：以 LiMn2O4 为例(尖晶石，立方晶系，Fd3m 空间群) ；负极材料：以石墨 C 为例
-3-
先进能源材料
编辑：Young
第二章 锂离子二次电池
1．电池：利用电化学的氧化-还原反应，进行化学能与电能之间转换的储能装置。 电池通常由正极、负极、隔膜、电解液及电极外壳等组成。 电池的性能参数有：容量、比容量、电压、电阻、能量密度、功率密度等。
2．锂离子电池：是现代高性能电池的代表，它是依靠锂离子可逆嵌入和脱出的电化学氧化还原 反应，实现化学能与电能之间相互转换的装置。
1．电化学：主要是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律类导体）：依靠自由电子的定向运动而导电，称为电子导体。金属、合金、石墨
和某些固态金属氧化物。特点：电流通过时，导体本身不发生任何化学变化；导电能力一般随温
度升高而降低。
离子导体（第二类导体）：依靠阴、阳离子的定向运动导电，称为离子导体。电解质溶液、熔融
4. 抑制电解液中酸和水添加剂 5.改善电极 SEI 膜添加剂 除上述有机液态电解液外：1.凝胶聚合物电解质(GPE)2.全固态聚合物电解质(SPE)
10．锂离子电池类型：圆柱型，方型，纽扣，薄膜。
-6-
先进能源材料
编辑：Young
第三章 超级电容器
1．定义：是相对于传统电容器而言具有更高容量的一种电容器（是一种容纳电荷的器件）。通 过极化电解质来存储能量。超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快 速充放电的特点，又具有电池的储能特性。
编辑：Young
4． 电化学体系的定义： （1）电极反应：电极/溶液界面（两类导体界面）发生的电化学反应。
（2）电化学反应：在电化学体系中发生的氧化还原反应。 （3）电化学体系：两类导体串联组成的，在电荷转移过程中不可避免地伴随有物质变化的体系。 实现电能和化学能转化的体系叫电化学体系，是电化学科学的研究对象。
2．特点：可任意并联增加电容量；等效串联电阻 ESR 相对常规电容器大；绿色环保；工作温度 范围宽；电容量大；充放电寿命很长；大电流放电；快速充电。
3．分类：（分类和储能机制） ·双电层电容器(EDLC)：以炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电荷，本质是静电型能 量储存方式，电容量与电极电位和比表面积的大小有关，因而常使用高比表面积的活性碳作为电 极材料，从而增加电容量。
8．·热力学——高能量密度=E×Q（反映电化学反应能释放的能量） →高电压：△G=-nFE，需要高氧化电位低还原电位； →高容量：Q=nF/MW，需要多电子反应小摩尔质量。 ·动力学——高功率密度=E×I，大的交换电流密度、高的电子电导率、活性物质高利用率、 离子的快速扩散。（反映能量释放的快慢）
9．锂离子电池关键材料 正极材料特点：
8．电镀：利用电解的原理在金属表面上镀上一层其它金属或合金的过程。 阳极：镀层金属。（阴极必须可以导电，且表面洁净、光滑） 阴极：待镀的金属制品 电镀液：用含有镀层金属离子的溶液。（c 不变）为了使镀层均匀、美 观，电镀液中镀层离子的浓度时刻保持稳定，常制成络离子 实质：阳极参加反应的电解
编辑：Young
无机盐的晶格能与阴阳离子半径成反比。
3.良好的热稳定性 无机阴离子盐
电导率：LiAsF6≥LiPF6＞LiClO4＞LiBF4
热稳定性：LiAsF6＞LiBF4＞LiPF6 耐氧化性：LiAsF6≥LiPF6≥LiBF4＞LiClO4 有机阴离子盐
氟有机阴离子锂盐具有良好的化学稳定性和适当的电导率，Li(CF3SO2)2N， LiC4F9SO3 ·电解液： 1.有机电解质的电导率只有水溶液电解液的几百分之一。
风力、原煤、原油、天然气（不可再生能源）、油页岩、生物质能、波浪能、潮汐能、地热和海洋温
差能等等。）
二次能源:是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。（电力、蒸汽、煤气、汽油、柴
油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。）
3．新能源：太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能、氢能（Li 电池不是新能源）
5．电解池与原电池的基本概念
阳极：（anode）在其上发生氧化反应（失电子）的电极。原电池（－）电解池（＋）
阴极：（cathode）在其上发生还原反应（得电子）的电极。原电池（＋）电解池（－）
正极：(positive electrode)两电极比较，电位较高的电极；
负极：(negative electrode)两电极比较，电位较低的电极。
T↑，R↓，导电能力↑
3． 三个回路
导电体系 载流子
导体 电荷流动方式
化学反应
电子导体回路 电子导电体系