下载文档原格式
《新能源器件设计实验》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑三、教学内容及进度安排四、课程考核注：各类考核评价的具体评分标准见《附录：各类考核评分标准表》五、教材及参考资料教材：自编讲义参考书：[1] 《锂离子电池材料合成与应用》冯传启，王石泉，吴慧敏编著，科学出版社2017，第31版，ISBN：9787030512031[2] 《锂离子电池》郭炳焜，徐徽，王先友，肖立新编著，中南大学出版社，2002，第一版，ISBN：9787810615631[3] 《锂离子电池原理与关键技术》黄可龙，王兆翔，刘素琴编著，-北京：化学工业出版社，2007，第一版，ISBN：9787122016720[4] 《锂离子电池-应用与实践》吴宇平，戴晓兵，马军旗，程预江编著，-北京：化学工业出版社，2004，第一版，ISBN：9787502552664六、教学条件硬件条件：实验场地：实验室面积不小于60 m2，配有电教设备，有供水，供电（供电须有短路及漏电保护），实验室须配备灭火器；通用仪器：精度0.01g电子天平2台,精度0.1 mg电子天平2台；实验室用纯水装置1台；CHI660E电化学工作站（配有一台一体机电脑）20台；电磁加热搅拌器20台；锂离子电池测试仪1 mA量程的4台，10 mA量程的2台；用于封装锂离子纽扣电池的手套箱一台（双工位操作）实验室需要配备两台简易的办公用电脑，用于特殊情况（尤其是家庭困难）学生使用现代用具撰写实验报告；实验用到的相关化学药品及试剂。
软件条件：6个专业教师（每人负责一个实验）；专业数据分析软件（电化学工作站自带）、Origin 9.0实验绘图软件、文献数据库（知网、Web of Science）。
大纲执笔人：马国强审核人(专业负责人/系主任)：制定时间：2022年8月16日附录：各类考核评分标准表1、新能源器件设计实验课程共6个实验，学生最后总成绩为所有实验内容的平均成绩；2、实验报告要求使用现代化办公软件按照课程所提供的模板撰写，每晚交一周扣10分；3、如有发现伪造实验数据，全部实验成绩直接记为零分。
新能源材料技术教学大纲学时：32 学分：2教学大纲说明一课程的目的和任务《新能源材料技术》是材料物理与化学和材料工程硕士专业的一门专业选修课程，课程教学的任务与目的是使学生掌握锂离子电池关键正负极材料、以质子交换膜型和中温固体氧化物为代表的燃料电池材料、硅半导体材料为代表的太阳能电池材料以及铀、氧、氤为代表的反应堆核能材料的相关知识及应用。
扩大专业知识面，为将来从事相关技术工作打下初步基础。
二、课程的基本要求通过本课程的教学，力图使学生达到：1、能体现学科专业发展的前沿。
本课程力图在《材料科学基础》和《材料化学》等学科的基础上，探索新能源领域中相关无机材料的制备和应用，课程的深度和广度能体现学科专业发展的前沿。
2、掌握电动汽车用动力电池材料的关键技术，采用新技术和工艺方法，合成新物质和新材料。
3、掌握锂离子电池材料、燃料电池材料、薄膜太阳能电池材料和核能材料的相关知识及应用。
三、与其它课程的联系与分工新能源材料是一类非常重要的新型无机材料，学生学习本门课程之前应学习《材料化学》、《材料科学基础》、《材料热力学》等专业课程。
而通过本门课程的学习，学生可以深化对其他课程所学知识的理解。
四、课程的内容与学时分配章次内容总学时数课堂讲授时数实验时数绪论22一锂离子电池材料1010二燃料电池材料88三太阳能电池材料88四核能材料44总学时数3232五本课程的性质及适应对象材料类硕士研究生各专业选修教学大纲内容绪论（2学时）教学内容：人类社会对能源的需求与面临的挑战，新能源与新能源材料，新能源材料的主要进展教学提示：本章重点在于让学生了解和掌握新能源与新能源材料的概念，新能源材料的主要进展。
第一章锂离子电池材料（10学时）教学内容：锂离子电池概述，负极材料，正极材料，电解质材料，锂离子电池的应用教学提示：本章重点在于让学生了解和掌握锂离子电池的概念，掌握锂离子电池负极材料，正极材料，电解质材料，隔膜材料的各自特点及其在锂离子电池中的应用。
锂离子电池材料与制备书
锂离子电池是一种常见的可充电电池，其正极材料、负极材料和电解液的选择对电池性能至关重要。
以下是关于锂离子电池材料和制备的概述：
1. 正极材料：
- 常用的正极材料包括锂钴酸锂（LiCoO2）、锂铁磷酸锂（LiFePO4）和锂镍锰酸锂（LiNiMnCoO2）。
这些材料具有高比能量、良好的循环寿命和稳定性。
- 正极材料的制备通常是通过固相合成或湿法制备的方法来实现的。
其中，固相合成是最常见的方法之一，它涉及到原料的混合、球磨和烧结等步骤。
2. 负极材料：
- 常用的负极材料是石墨（graphite），它可以插入和释放锂离子。
此外，也有其他材料如硅基材料和锡基材料等被研究用于提高电池容量。
- 石墨作为负极材料一般是经过浸渍、干燥和烘烤等多个步骤制备而成。
3. 电解液：
- 锂离子电池的常用电解液是含有锂盐（如锂六氟磷酸盐、锂硼酸盐等）和有机溶剂（如碳酸酯、碳酸醇等）的混合物。
- 通常，电解液的制备包括将锂盐溶解在有机溶剂中，并通过过滤和脱水等工艺净化和处理。
4. 制备步骤：
- 锂离子电池的制备一般包括正极材料的制备、负极材料的制备、电解液的制备以及电池组装和封装等步骤。
- 在制备过程中，需要注意材料的纯度和纳米级粒子的控制，以确保电池具有良好的性能和可靠性。
总的来说，锂离子电池的材料与制备是一个复杂的过程，涉及到多个步骤和材料。
随着科技的发展，人们对于电池材料性能提升和制备工艺的研究也在不断深入。
锂离子电池的新型材料和新技术锂离子电池是当前最流行的储能设备之一，广泛应用于手机、电动汽车、无人机等领域。
而随着科技的不断发展，人们对锂离子电池的性能和安全性提出了更高的要求。
为了满足这些需求，科研人员不断探索新型材料和新技术，以提高锂离子电池的能量密度、循环寿命和安全性。
本文将对锂离子电池的新型材料和新技术进行深入探讨。
一、新型材料1.1锂硫电池锂硫电池是一种新型的二次电池，其理论能量密度高达2600Wh/kg，是目前锂离子电池的数倍。
与传统的锂离子电池相比，锂硫电池具有更高的能量密度、更低的成本和更环保的特点。
然而，锂硫电池的循环寿命较短及导电性差等问题限制了其在实际应用中的发展。
科研人员通过引入多孔碳材料、包覆硫材料等手段，成功提高了锂硫电池的循环寿命和导电性，为其在电动汽车等领域的应用奠定了基础。
1.2固态电解质传统的锂离子电池采用液态电解质，存在着燃烧爆炸的风险。
而固态电解质可以有效地解决这一问题，其高的电子传导性和离子传导性使得锂离子电池具备了更高的安全性和循环寿命。
目前，固态电解质材料主要包括氧化物、硫化物和磷酸盐等。
然而，固态电解质材料的制备工艺复杂、成本较高等问题也制约了其在实际应用中的发展。
未来，科研人员还需不断寻求更好的固态电解质材料，并解决其在工艺和成本上的问题。
1.3多功能复合材料除了锂硫电池和固态电解质之外，多功能复合材料也是当前锂离子电池研究的热点。
多功能复合材料可以将各种功能材料结合起来，既提高了锂离子电池的能量密度和循环寿命，又改善了其安全性。
例如，锂硅合金、氮化硅等材料的引入可以大幅提高锂离子电池的能量密度；氧化物包覆层的使用则可以提高电池的循环寿命。
因此，多功能复合材料将成为未来锂离子电池研究和应用的一个重要方向。
二、新技术2.1智能电池管理系统（BMS）智能电池管理系统是当前电动汽车等领域的关键技术之一。
它可以实现对锂离子电池的实时监测、状态估计和安全控制，从而保证了电池的正常运行和延长其循环寿命。
锂离子电池原理与关键技术锂离子电池是一种以锂离子为电极材料的充电电池，它具有高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优点，因此在移动电子设备、电动汽车和储能系统等领域得到广泛应用。
本文将介绍锂离子电池的原理和关键技术，以期帮助读者更好地理解和应用这一先进的能源存储技术。
1. 锂离子电池原理。
锂离子电池由正极、负极、电解质和隔膜组成。
在充放电过程中，锂离子在正负极之间来回迁移，完成电化学反应。
正极材料通常采用氧化物，如钴酸锂、锰酸锂、三元材料等；负极材料则采用石墨、石墨烯或金属锂等；电解质通常为有机溶剂和锂盐的混合物；隔膜则起到隔离正负极的作用，防止短路。
充电时，锂离子从正极解吸，通过电解质迁移到负极，并嵌入负极材料中；放电时，锂离子从负极脱嵌，通过电解质迁移到正极，最终嵌入正极材料中。
这一过程是通过电化学反应来实现的，具体反应式和能量变化可根据不同的正负极材料进行推导。
2. 锂离子电池关键技术。
（1）正负极材料，正负极材料的选择直接影响着电池的性能，如能量密度、循环寿命和安全性。
目前，钴酸锂、三元材料和磷酸铁锂等正极材料以及石墨、硅基材料和金属锂等负极材料是常用的选择。
不断地研发新型材料，并改进现有材料的性能，是提高锂离子电池性能的关键。
（2）电解质，电解质是锂离子电池中的重要组成部分，直接影响着电池的离子传导性能和安全性。
传统的有机溶剂电解质具有较好的离子传导性能，但由于其挥发性和燃烧性，容易引起安全隐患。
固态电解质因其良好的稳定性和安全性逐渐受到关注，然而其离子传导性能和界面稳定性仍需进一步提高。
（3）隔膜，隔膜主要起到隔离正负极的作用，防止短路和电池过热。
优秀的隔膜应具有良好的离子传导性能和机械强度，同时要具备一定的隔热性能。
目前，聚合物隔膜是主流选择，但其在高温和高压下的稳定性仍存在挑战。
（4）电池管理系统（BMS），BMS是锂离子电池的大脑，负责监测电池的状态、控制充放电过程、保护电池安全等。
锂电池科学与技术一、引言锂电池是一种高效、环保的电池，具有高能量密度、长寿命、轻便等优点，已广泛应用于电动汽车、智能手机等领域。
本文将从锂电池的基本原理、材料特性、生产工艺等方面进行详细介绍。
二、锂电池的基本原理锂电池是一种通过化学反应将化学能转化为电能的装置。
其基本原理是通过正极和负极之间离子交换来实现充放电过程。
充电时，正极材料（如LiCoO2）中的锂离子被氧化成Li+离子并释放出电子，负极材料（如石墨）中的锂离子被还原成Li金属并吸收电子；放电时则相反，正极材料中的Li+离子被还原成Li金属并吸收电子，负极材料中的Li金属被氧化成Li+离子并释放出电子。
三、锂电池的材料特性1. 正极材料：常用的正极材料包括LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4等。
其中，LiCoO2具有高能量密度和长寿命等优点，但价格较高；LiMn2O4价格相对较低，但容易发生结构变化导致容量损失；LiFePO4具有良好的安全性和循环性能，但能量密度较低。
2. 负极材料：常用的负极材料是石墨。
石墨具有良好的导电性和储锂性能，但容易发生结构变化导致容量损失。
3. 电解液：常用的电解液是含有锂盐（如LiPF6）的有机溶剂（如EC/DMC）。
电解液起着传递离子、保持电池内部稳定等作用。
4. 分隔膜：分隔膜主要起到隔离正负极材料、防止短路等作用。
常用的分隔膜包括聚乙烯、聚丙烯等。
四、锂电池的生产工艺1. 正负极材料制备：正负极材料制备通常采用固相法或溶胶-凝胶法。
固相法适合大规模生产，但造粒效果不如溶胶-凝胶法好；溶胶-凝胶法造粒效果好，但成本较高。
2. 电解液制备：电解液制备包括溶剂选择、锂盐添加等步骤。
电解液的质量对电池性能有重要影响。
3. 电池组装：电池组装包括正负极材料的涂布、分隔膜的安装、电解液注入等步骤。
组装过程需要严格控制温度、湿度等条件，以保证电池性能稳定。
五、锂电池的应用前景随着新能源汽车的快速发展，锂电池市场需求不断增加。
目录CONTENTS01锂离子电池基础介绍篇02锂离子电池设计篇03 锂离子电池研发篇04锂离子电池安全性能篇锂离子电池基础介绍篇20世纪80年代首次提出锂离子电池的概念，其后索尼公司于1991年成功推出了第一个商用锂离子电池产品，标志着锂离子电池大规模产业化的开始。
尤其是在全球可持续发展越来越受到人们重视的今天，新能源汽车产业快速发展，锂离子电池的发展也随之加速。
锂离子电池由于其能量密度高、循环寿命长等优点，成为当今市场上电动汽车应用最广泛的电池体系。
随着电动汽车的迅速扩张，锂离子电池在国民经济中的比重和社会发展中的战略地位会越来越重要。
以及锂离子电池在手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电器中得到了广泛应用，已然成为社会生活不可缺少的必需品，锂离子电池的发展未来无可限量！化学原理正极材料钴酸锂（LiCoO 2）、锰酸锂（LiMn 2O 4）三元、磷酸铁锂（LiFePO 4）负极材料石墨、硬炭、软炭、钛酸锂Si基材料电解液六氟磷酸锂、DMC、DEC混合液辅料导电剂、粘结剂、溶剂集流体金属件顶盖、铝壳/钢壳、铝塑膜、绝缘托板、顶盖贴片、底部贴片、软连接顶支架隔膜PE/PP/PP-PE-PP 电 池材 料•电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。
常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。
•电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。
•理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。
为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm 3)。
•实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。
它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为 Ah，其值小于理论容量。
•额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。
容量电化学性能• 开路电压：电池在开路状态下的端电压称为开路电压。
锂电池与新能源材料随着全球对环境保护意识的提高和对传统石油资源依赖的减少，新能源材料作为替代能源的有效手段逐渐受到广泛关注。
而锂电池作为一种高效、可再生的新能源，正逐渐成为推动新能源材料发展的核心技术之一。
本文将围绕锂电池与新能源材料的关系展开论述。
一、锂电池的基本原理1.1 锂电池的结构与工作过程锂电池由正负极、电解质和隔膜构成。
正极材料通常是锂化合物，例如氧化物、磷酸盐等，而负极则是碳材料。
在充放电过程中，锂离子在正负极材料之间通过电解质和隔膜传输，完成能量的储存和释放。
1.2 锂电池的优势与应用相比传统燃料电池和镍镉电池，锂电池具有更高的能量密度、更长的寿命和更低的自放电率。
因此，锂电池被广泛应用于移动通信、电动汽车、储能设备等领域，成为新能源技术的重要推动力量。
二、新能源材料的研究与发展2.1 太阳能电池太阳能电池是一种利用太阳光转换为电能的设备。
目前，太阳能电池主要采用晶体硅、非晶硅、铜铟硒等材料制备。
其中，锂离子电池被广泛应用于太阳能光伏发电系统中，提供持续稳定的电能。
2.2 燃料电池燃料电池通过将氢气或氢源与氧气反应产生的化学能转化为电能，成为清洁能源的重要形式之一。
新能源材料的开发和燃料电池技术的进一步研究，为实现氢能源利用提供了可行的解决方案。
2.3 其他新能源材料除了太阳能电池和燃料电池，新能源材料的研究还涵盖了风能、地热能、水能等各种形式的能源转换。
通过对新能源材料的开发和改进，能够有效提高能源利用效率和环境保护水平。
三、锂电池与新能源材料的结合3.1 开发高性能锂电池材料通过优化锂电池材料的结构和性能，提高其能量密度和循环寿命，是发展新能源材料的关键。
例如，使用纳米材料作为电极材料能够提高锂离子的扩散速率和电池容量，从而提高锂电池的性能。
3.2 制备可再生新能源材料利用可再生资源制备新能源材料，能够减少对传统能源的依赖和环境污染。
例如，通过生物质催化剂制备的太阳能电池可以实现碳中和和可持续发展。
