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第Ⅱ部分鎢在新能源電池市場的介紹
第十四章鎢在電池中的潛在價值與應(yīng)用前景

鎢基電池，特別是鎢基鋰離子電池，其應(yīng)用前景被廣泛看好，主要基於鎢基材料負(fù)極所展現(xiàn)出的優(yōu)越性能，具有較高的比容量、安全性和較長的迴圈壽命。

中鎢線上黃色氧化鎢圖片

電動汽車：隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對高性能電池的需求日益增長。鎢基電池因其高能量密度、長壽命和高安全性，有望成為電動汽車領(lǐng)域的理想選擇。

自動化設(shè)備：在智慧製造和自動化領(lǐng)域，電池的性能直接影響到設(shè)備的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。鎢基電池的長壽命和高安全性使其成為這些設(shè)備的優(yōu)選電源。

消費(fèi)電子產(chǎn)品：隨著消費(fèi)者對電子產(chǎn)品續(xù)航能力和安全性的要求不斷提高，鎢基電池在智慧手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品中的應(yīng)用前景也十分廣闊。

電池圖片

14.1 鎢在電池中的潛在價值

一、鎢的基本介紹

鎢（W），原子序數(shù)74，是一種金屬元素，其灰黑色，質(zhì)硬而脆，延展性強(qiáng)，熔點(diǎn)高，常溫下不受空氣侵蝕。鎢在自然界中主要以鎢酸鹽的形式存在，常見的礦物有黑鎢礦和白鎢礦。鎢具有良好的導(dǎo)電性和高熔點(diǎn)，是高速切削合金鋼、電燈絲、火箭噴嘴、太陽能裝置及其他光學(xué)儀器、化學(xué)儀器的關(guān)鍵材料。

鎢的發(fā)現(xiàn)：1781年由瑞典化學(xué)家卡爾·威廉·舍耶爾發(fā)現(xiàn)白鎢礦，並提取出新的元素酸——鎢酸；1783年被西班牙人德普爾亞發(fā)現(xiàn)黑鎢礦，也從中提取出鎢酸；同年，用碳還原三氧化鎢第一次得到了鎢粉，並命名該元素。

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鎢的命名：中文名稱“鎢”及符號“W”的來源均來自德語Wolfram，由於德國的黑鎢礦（Wolframite）聞名世界，所以德語稱其為Wolfram；其英語名稱Tungsten原意是重石，主要成分是鎢酸鈣。

金屬鎢是一種重要的戰(zhàn)略金屬，其儲量相對稀少，價格較高。中國是世界上最大的鎢儲藏國，擁有豐富的鎢資源。鎢及鎢化合物的廣泛應(yīng)用使其成為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)升級的關(guān)鍵材料之一。

鎢的化合物種類繁多，根據(jù)其組成和性質(zhì)的不同，可以分為氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、鎢酸鹽以及其他一些複雜的化合物。

中鎢線上鎢酸圖片

二、鎢化合物在電池中的應(yīng)用

鎢及其化合物在電池中的應(yīng)用非常廣泛，特別是在鋰電池和鋰硫電池中，鎢的引入顯著提高了電池的性能和穩(wěn)定性。以下是一些常見的鎢化合物及其在電池中的應(yīng)用。

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鎢酸

鎢酸是一種重要的無機(jī)化合物，具有良好的催化性能和穩(wěn)定性。它可以在多種條件下保持較好的穩(wěn)定性能，這使得它在電池等電化學(xué)裝置中具有潛在的應(yīng)用價值。

鎢酸可以作為電池中的催化劑，用於加速電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。例如，在燃料電池中，鎢酸可以作為電極催化劑，提高電極的催化活性，從而提高電池的性能和效率。

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Keggin型磷鎢酸作為一種高效穩(wěn)定的酸催化劑，在燃料電池等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。它不僅可以替代大部分無機(jī)酸催化劑，而且具有高活性、高選擇性、酸性可調(diào)等特點(diǎn)。

鎢酸還可以作為電池的添加劑，用於改善電池的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。例如，在鋰離子電池中，添加適量的鎢酸可以提高電池的迴圈穩(wěn)定性和安全性。

氧化鎢

氧化鎢（WO?）是一種重要的鎢化合物，具有高熔點(diǎn)、高化學(xué)活性、良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性等特點(diǎn)。在鋰硫電池中，氧化鎢可以作為正極活性物質(zhì)和導(dǎo)電添加劑，抑制多硫化物的溶解和穿梭效應(yīng)，提高電池的迴圈穩(wěn)定性和可逆性。

中鎢線上黃色氧化鎢圖片

氧化鎢納米棒（WO3-x納米棒）作為過渡金屬氧化物，具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。它可以作為硫正極材料的導(dǎo)電添加劑，提高電極的電導(dǎo)率，促進(jìn)電子的快速傳輸，從而提高電極的反應(yīng)動力學(xué)。同時，氧化鎢還可以促進(jìn)中間產(chǎn)物L(fēng)iPS從導(dǎo)電性差的氧化物表面轉(zhuǎn)移到高導(dǎo)電碳材料表面完成可逆的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)多硫化物在電極材料表面平穩(wěn)的“誘捕-擴(kuò)散-催化轉(zhuǎn)化”過程。

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此外，氧化鎢納米棒還可以作為自支撐硫正極複合材料的骨架結(jié)構(gòu)，提高電池的整體能量密度和穩(wěn)定性。通過與其他材料如多孔碳纖維的結(jié)合，可以製備出高性能的鋰硫電池正極材料。

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14.2 鎢在電池中的應(yīng)用前景

鎢作為一種重要的金屬元素，因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在電池領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。特別是在燃料電池和鋰離子電池中，鎢化合物的作用尤為突出，為電池性能的提升和成本的降低提供了新的可能。

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一、燃料電池中的應(yīng)用及前景

燃料電池作為一種高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換裝置，近年來在全球範(fàn)圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。在燃料電池中，鎢化合物憑藉其優(yōu)異的催化性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，成為了催化劑載體的理想選擇。

二硫化鎢納米片、納米氧化鎢等鎢化合物，因其較大的比表面積、良好的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在燃料電池中展現(xiàn)出了顯著的催化效果。這些鎢化合物能夠促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，提高燃料電池的電流密度和壽命，同時降低內(nèi)阻和生產(chǎn)成本。特別是在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，鎢基催化劑的應(yīng)用更是顯著提高了電池的性能和穩(wěn)定性。

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隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮某掷m(xù)增長，燃料電池市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)尚普諮詢集團(tuán)資料顯示，2022年全球燃料電池市場規(guī)模約為84億美元，同比增長24.6%。預(yù)計到2025年，全球燃料電池市場規(guī)模將達(dá)到144億美元，複合年增長率為45.27%。中國作為全球最大的燃料電池市場之一，其市場規(guī)模同樣呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。2022年中國燃料電池市場規(guī)模約為94億元，同比增長36.8%。預(yù)計到2025年，中國燃料電池市場規(guī)模將達(dá)到343億元，複合年增長率為90%。這一趨勢表明，燃料電池市場在未來幾年內(nèi)將繼續(xù)保持高速增長，為鎢在燃料電池中的應(yīng)用提供了廣闊的市場空間。

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二、鋰離子電池中的應(yīng)用及前景

鋰離子電池作為目前最廣泛使用的可充電電池之一，具有性能穩(wěn)定、壽命長、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。鎢在鋰離子電池中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在正極材料和負(fù)極材料兩個方面。

鎢化合物具有較高的特殊容量和優(yōu)異的耐迴圈性，有望成為新一代高性能電池的正極材料。通過合理的合成方法和改性手段，可以進(jìn)一步提高鎢基正極材料的性能，滿足高能量密度、高功率密度和長壽命等要求。然而，目前鎢化合物的合成工藝仍需要進(jìn)一步改進(jìn)，且材料價格相對較高，這限制了其在鋰離子電池正極材料中的廣泛應(yīng)用。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題有望得到解決。例如，通過優(yōu)化合成工藝、降低生產(chǎn)成本、提高材料利用率等手段，可以進(jìn)一步推動鎢基正極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用進(jìn)程。

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納米氧化鎢基材料是下一代鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料，納米氧化鎢基材料具有比容量大、來源廣泛且價格相對低廉等優(yōu)勢。特別是紫色氧化鎢納米粉末等新型材料的應(yīng)用，更是讓鋰離子電池實現(xiàn)了超快速充放電。這些材料有助於電子傳導(dǎo)性和鋰離子擴(kuò)散，從而提高了電池的充放電性能和迴圈穩(wěn)定性。然而，目前納米氧化鎢基材料作為鋰離子電池負(fù)極材料仍存在壽命問題，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。例如，通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)、提高材料的抗腐蝕性和穩(wěn)定性等手段，可以延長納米氧化鎢基材料的使用壽命，進(jìn)一步提高其在鋰離子電池中的應(yīng)用價值。

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