清华大学动力电池研究进展介绍

摘要:本文介绍了近年来，清华大学核能技术设计研究院在镍氢（MH/Ni）电池﹑锂离子电池和质子交换膜燃料电池等动力电池研究方面的进展。

一．镍氢（MH/Ni）电池

我国镍氢（MH/Ni）电池产业正处于迅速发展的阶段，已经建成投产的生产线已经有一百多条。其中储氢材料和负极产品已经达到了日本的水平，但是，但是电池产品的质量水平与国外仍有一定差距，其中，正极和正极材料氢氧化镍起着关键性的作用。

清华大学核能技术设计研究院於1994年5月开始了球形氢氧化亚镍的研制与开发。在不到一年半的时间里，对控制结晶法制备球形Ni(OH)2的工艺条件进行了系统的研究，并完成了放大实验。中试产品送北京有色金属研究总院等单位进行了测定及试用。在1995年11月通过国家教委主持的技术鉴定会

从1995年8月起，我们以技术转让的方式与河北任远团体公司开展技术合作，设计和建设年产100-150吨球形Ni(OH)2的生产厂。该厂于1996年4月18日建成，一次试车成功。产品比容量已经达到290mAh/g，这一数值已经超过了Ni(OH)2的理论容量。年产800吨球形Ni(OH)2的二期工程被国家经贸委列为大型产业性试验项目，也于1997年底正式投产。

该项研究已经列进了国家863高技术发展计划。研究成果获国家教委科技发明三等奖一次，河北省科技进步二等奖一次。

为了和国际上的技术发展保持同步，我们及时开展了对新一代高密度、高活性球形氢氧化镍的研制与开发工作。其中球形氢氧化镍的表面覆钴技术已经获得成功，计划于今年实现产业化。

二．锂离子电池

清华大学核能技术设计研究院对锂离子电池及其相关材料的研究于1996年正式启动，研究的重点放在降低原材料的本钱﹑同时保证性能指标的先进性。

1.替换LiCoO2的正极材料

目前国际市场上所销售的锂离子电池产品基本上全是以LiCoO2为正极材料。相比之下，LiNiO2的原料本钱只有它的1/3，性能却不比它差多少，题目是在合成LiNiO4时有一部分Li的位置为Ni所取代，致使这种正极材料的性能下降或不稳定。在大力改进LiNiO2材料性能的同时，LiXMn2O4体系的正极材料的开发也十分有意义，其次是近来提出的Li/V2O5体系，有可能使正极材料在性能上出现新的奔腾。

在实验室以b-Ni(OH)2为先驱体用固相反应法合成的LiNi0。8Co0。2O2产品的电活性已经达到170mAh/g以上，用溶胶－凝胶法制备的LiXMn2O4产品的电活性也已经达到120mAh/g以上。这些性能指标已经进进国际先进水平的行列。尤其是LiNiO2类产品，电活性的实验值曾经达到250mAh/g以上，而国际上同类产品的性能指标至今尚未超过200mAh/g。

2．高体积容量的负极材料

为了确保电池的安全性，二次电池一般不再采用金属锂或锂合金作为负极材料。现在国际市场上的锂离子二次电池所采用的负极材料一般为石墨，或改性石墨。但目前国内尚无此类产品。负极材料也可能采用某些金属的氧化物来取代。如日本的富士公司声称，他们以SnO为主要负极材料的锂离子电池也即将走向市场，它可能使电池的容量进一步进步。

我们的研究重心放在了自然石墨的改性和复合型负极材料的开发方面。在实验室经部分氧化或部分氯化后的自然石墨的电活性已经达到了340mAh/g以上，这一指标也已进进国际先进水平的行列。尤其是经过进一步掺杂以后，电活性达到了500mAh/g以上，超过了日本在“新阳光计划”中所规定的400mAh/g指标。

3．非水电解质

现在的商品锂离子电池中一般采用LiPF6溶解在碳酸亚乙脂（EC）和碳酸二乙脂（DEC）的混合溶剂中，形成一种液态的非水电解质。也有用碳酸二甲酯（DMC）替换DEC的，二者均为强极性有机溶剂，后者沸点略低。锂离子电池对非水电解质中的水分含量要求极严，必须严格控制在30ppm以下。另外还有一条路线，就是用离子型导电高分子材料来替换这种非水液态电解质。国际上这类研究工作已经取得了相当的进展，其电导率已经达到了10-3scm-1量级，但要达到实用水平尚需作进一步努力。

从表中可见，如能进步清华大学核研院的PEMFC电堆的电流密度，减薄端版厚度，则其性能可与美国H-Power公司相当。目前，改进工作仍在进行中。

清华大学核研院小型PEMFC的特点是：

使用自行研制的电催化剂，大幅度地降低了本钱。

使用自行研制的薄金属双极板，大大减轻了电堆重量。

国家“九五”攻关燃料电池项目中的催化剂子课题。

清华大学还在研制Pt/C及抗CO多元催化剂，这是国家“九五”攻关燃料电池项目中的催化剂子课题。经过9个月的努力，清华大学已研制出Pt/C催化剂。其性能与美国E-Tech公司同类产品的比较见下图。图中可见：在常用的电压范围0.6-0.8伏，其性能已经超过美国E-Tech公司同类产品。目前，正采取新的措施争取进一步进步清华大学的产品性能。抗CO多元催化剂的研制工作正在进行中。

PEMFC的稳定运行的研究

PEMFC电堆的稳定运行的重要性是显而易见的，我们发现对PEMFC电堆施加反向电压可进步PEMFC运行稳定性的新的更实用的方法。到目前为止，该方法尚未见文献报道。在1999年第四届中国-国际电池大会上，首次发表了我们的实验结果后，引起与会者的极大爱好。该方法的工程应用还需进一步研究。

综上所述，清华大学已经具备了大规模开发PEMFC的上风条件。

我们采用了锂化分子筛对非水电解质进行了除水处理，将其中的残存水分含量降到了20ppm以下，完全可以满足锂离子电池的要求。对聚合物固态电解质的研究与开发工作也在紧张进行之中。

４．电池工艺

由于锂离子电池只能采用非水电解质，电池中不能有水分和氧化剂，这就要求组装工作必须在特定的气氛下进行。实验室所用的组装机具全部外购，将研究重点放在了组装气氛的控制方面。同时，在气体净化和扣式实验电池的组装方面均积累了一定的经验，为发展锂离子电池的组装工艺打下了良好的基础。

三．燃料电池

清华大学核研院质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆

核研院已制成一套200W的PEMFC电堆，输出电压为6.3V，电流达30A。目前一种更小的PEMFC电堆已经研制成功。其输出功率分别为10和20瓦。其参数见下表。

从表中可见，如能进步清华大学核研院的PEMFC电堆的电流密度，减薄端版厚度，则其性能可与美国H-Power公司相当。目前，改进工作仍在进行中。

清华大学核研院小型PEMFC的特点是：

使用自行研制的电催化剂，大幅度地降低了本钱。

使用自行研制的薄金属双极板，大大减轻了电堆重量。

国家“九五”攻关燃料电池项目中的催化剂子课题。

清华大学还在研制Pt/C及抗CO多元催化剂，这是国家“九五”攻关燃料电池项目中的催化剂子课题。经过9个月的努力，清华大学已研制出Pt/C催化剂。其性能与美国E-Tech公司同类产品的比较见下图。图中可见：在常用的电压范围0.6-0.8伏，其性能已经超过美国E-Tech公司同类产品。目前，正采取新的措施争取进一步进步清华大学的产品性能。抗CO多元催化剂的研制工作正在进行中。

PEMFC的稳定运行的研究

PEMFC电堆的稳定运行的重要性是显而易见的，我们发现对PEMFC电堆施加反向电压可进步PEMFC运行稳定性的新的更实用的方法。到目前为止，该方法尚未见文献报道。在1999年第四届中国-国际电池大会上，首次发表了我们的实验结果后，引起与会者的极大爱好。该方法的工程应用还需进一步研究。

综上所述，清华大学已经具备了大规模开发PEMFC的上风条件。(end)