电化学储能材料与器件  081704M05003H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:王钰,王宝
授课时间: 星期三,第5、6、7 节
授课地点: 教二楼319
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15
课程编号: 081704M05003H 课时: 40 学分: 2.00
课程属性: 专业普及课 主讲教师:王钰,王宝 助教:
英文名称: Electrochemical energy storage materials and devices 召集人:

教学目的、要求

本课程是化学工程、化学、材料、能源和环境等专业的基础课。本课程是一门涉及电化学、热力学、机械、电子电气、有机化学、催化工程、应用化学、材料化学、能源与环境的综合交叉课程。其既可以作为专业基础课程,学习电化学储能使学生了解世界和中国储能的发展现状,掌握电化学储能的基本原理及形式,了解锂离子电池、液流电池、铅酸电池、电容器、超级电容器等应用场景,熟悉电化学储能的基本原理,深化理解一次电池、二次电池和电容器的原理与制备工艺及手段,加深对电化学储能应用的认识。重点把握常用储能材料和器件的特点和适用范围。在此基础上掌握电化学常用材料分析与测试方法等手段。通过本课程的学习,特别要了解电化学储能的理论及技术创新、各领域之间的交叉融合产生的应用需求;能针对需求选取合适的储能材料和器件设计思路。

预修课程

材料科学概论、有机化学、无机化学,物理化学

教 材

主要内容

第一章 绪论 电化学储能  4
首先从能源消耗开始,通过对比传统能源与新能源分别对环境和经济产生的影响,使学生了解世界和中国储能的发展现状,提出研究电化学储能的必要性。通过介绍电化学的定义与电化学反应,让学生宏观了解电化学储能,简单介绍电化学储能的发展历程,进而讲解电化学储能的独特性及在能源、环境、材料、化工等领域带来的很多重要的应用。在本章中,主要介绍电化学储能的发展历史及其和环境绿色化学发展的关系,以及电化学储能的定义及优势,使学生从宏观上把握该课程的要点。
第二章 电化学储能基础  6
本章首先从介绍电化学常用体系开始,分别介绍组成电化学体系的电解质、电极以及隔膜,简单介绍组成电极(工作电极、辅助电极、参比电极)、隔膜、电解质及电解池的设计与组装,使学生系统的了解电化学储能系统。通过举例说明几种常用原电池及电解池的工作原理及组装。接着从热力学的角度出发,讲解电化学储能过程中的微观认识,详细讨论了电化学与热力学之间的关系及电极过程中的动力学,接着引出电化学储能涉及到的几个重要定理:如Faraday电解定律;Nernst方程;Tafel公式等。通过对比电化学过程中的可逆与不可逆过程,使学生从微观上深入认识电化学储能过程。通过本章教学,使学生比较系统全面的掌握电化学储能系统的结构及性质,为未来的电化学储能设计及使用奠定基础。
第三章 电化学储能器件的合成与制备  10
在该章节,简要介绍了电化学储能材料和器件的合成制备方法。性能良好的电化学储能材料和优化的器件组装工艺相结合是获得高性能电化学储能器件的关键。材料方面主要包括正负极材料、电解质、隔膜的多种设计合成策略和方法;器件制备工艺方面主要包含正极极片的制备、负极极片的制备、电解质和电解液的种类、隔膜材料的种类及制备和改性等,另外还包括不同类型电池的实验室装配技巧。本章节主要讲合成材料的几种方法:高温固相法、溶胶-凝胶法、电解合成法、水热法、共沉淀法、机械球磨法等几种制备方法,以及装配过程中的几种工艺(电极配方、搅拌方式、极片厚度、电解液工艺、隔膜机械性能、装配方式等)对电极片性能的影响。在本章的学习中,使学生基本了解实验室组装电池的基本过程,对电化学储能器件的装配有一定认识和理解,为后续课程开展,以及今后实验工作奠定基础。
第四章 电化学储能器件的具体应用  4
本章主要介绍了电化学储能在一次电池、二次电池和电容器等方面的基本应用。分别介绍了一次电池的种类,其中包含锌锰干电池、碱锰电池和燃料电池等,重点介绍了几种重要的二次电池,其中包括铅蓄电池及碱金属离子电池。又拓展介绍了电容器中双电层电容器和赝电容电容器的种类及区分。通过本章的学习,使学生重点认识二次常用碱金属离子电池体系、常用正负极材料及相关储能机制。通过本章的教学使学生初步了解电化学储能在电池和电容器方面的应用情况以及各种类型电池和电容器的应用需求和未来发展方向,并拓展介绍了几种常用碱金属离子电池的的微观机理,为今后从事有关电化学储能领域的研究工作奠定基础。
第五章 电化学储能材料常用分析及表征手段  10
材料的测试分析及表征是制备性能良好的电化学储能器件中必不可少的环节。本章介绍了在电极材料制备过程中涉及到的测试方法(X射线衍射分析、热重分析、傅里叶变换-红外光谱仪、扫描电镜分析、粒度分析、透射电镜分析、拉曼光谱分析等)回顾及举例分析,并且重点介绍了电化学储能器件性能的几种表征手段,其中包括稳态测试方法(恒电位法、恒电流法);暂态测试方法(控制电位法、控制电流法);循环伏安法;电化学阻抗法;zeta电位等,通过原理介绍、应用举例分析等手段,深刻认识这几种常用表征手段在实际测试中的应用。通过本章的学习,使学生认识了解电化学储能器件的制备表征手段,为后续从事有关电化学储能领域的研究工作奠定基础。
第六章 展望 电化学储能器件的发展机遇及挑战  4
随着可再生能源产业和电动汽车产业的发展,储能技术和产业受到各国的高度重视,各种新型电化学储能电池技术的研究开发不断取得进展。其中,比较有代表性的有液流电池、锂硫电池、锂离子电池、钠离子电池、全固态电池等,但其技术发展都面临着一些现实挑战。提高电化学储能器件和系统的能量效率、可靠性、安全性、降低成本是大规模普及应用的重要课题。开发高性能电极材料、优化器件结构设计、降低内阻、提高安全性是技术关键。通过本章学习,希望能使学生发散思维,对未来的二次电池发展发现各抒己见。

教学重点与难点 
教学重点:电化学储能性质;电化学储能体系;电化学储能在锂离子和钠离子等碱金属离子电池中的应用;电池和电容器器件制备方法工艺;电极材料表征方法;电池和电容器器件常用测试手段;电化学储能机制。   
教学难点:缺少比较系统的相关数据和教材,完全是由最新文献和论文整理而来。但这也是该课程的优势,其能够反映当下学科最新的发展方向。
学时分配与进度计划 
第一章4学时,第二章 6学时,第三章10学时,第四章4学时,第五章10学时,第六章4学时。讲解内容合计38学时。考试:2学时,开卷。课程合计20学时。

参考文献

1. 《储能技术》(法)Yvest Bruet 等著, 唐西圣等译,储能技术,北京:机械工业出版社,2013.4
2. 《大规模储能技术》(美)巴恩斯 等著,肖曦等译,机械工业出版社,2013.7
3. 《能量储存技术概论》,周国兵,华北电力大学课件,2011
4. 《电化学方法原理和应用》,(美)阿伦.J.巴德等著,邵元华等译,化学工业出版社,2019.1
5. 《材料分析方法》,周玉主编,哈尔滨工业大学,机械工业出版社,2000,5
6. 《电化学阻抗谱》,(美)Mark E.Orazem,(法)Bernard Tribollet等著,雍兴跃等译,化学工业出版社,2017.8
7. 《固态电化学》,杨勇主编,化学工业出版社,2017.8
8. 《Electrochemical Supercapacitors Scientific Fundamentals and Technological Applications》,B. E. Conway等著, Springer 出版,1999.4