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第Ⅱ部分鎢在新能源電池市場(chǎng)的介紹
第十二章鎢在電池中的技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，通過(guò)在電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的儲(chǔ)能電池和動(dòng)力電池包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、鋅離子電池和太陽(yáng)能電池等。

鋰離子電池是一種通過(guò)鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)儲(chǔ)存和釋放電能的二次電池，適用於移動(dòng)設(shè)備（手機(jī)、平板等）、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)中。優(yōu)點(diǎn)包括：具有相對(duì)較高的能量密度，使其成為移動(dòng)設(shè)備和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的理想選擇；較長(zhǎng)的迴圈壽命，能夠經(jīng)受多次充放電迴圈而保持性能；相對(duì)較輕，適用於需要輕量設(shè)計(jì)的應(yīng)用。鋰離子電池的缺點(diǎn)包括：成本較高，因?yàn)槭褂昧讼鄬?duì)昂貴的材料如鈷；在極端條件下，鋰離子電池可能出現(xiàn)過(guò)熱、著火或爆炸的安全問(wèn)題；鈷等材料的有限供應(yīng)可能限制鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用。

鋰離子電池圖片

鈉離子電池與鋰離子電池類似，但使用鈉離子作為儲(chǔ)能材料，適合應(yīng)用於大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中，尤其適用於需求不那麼關(guān)注體積和重量的場(chǎng)合。優(yōu)點(diǎn)包括：鈉較鋰更為豐富，降低了電池製造的原材料成本。缺點(diǎn)包括：鈉離子電池的離子體積較大，導(dǎo)致電池體積相對(duì)較大；相比鋰離子電池，鈉電池的能量密度較低。

鋰硫電池是使用硫作為正極材料，鋰作為負(fù)極材料的電池。在放電過(guò)程中，硫被氧化成多價(jià)態(tài)離子，儲(chǔ)存電荷。優(yōu)點(diǎn)包括：鋰硫電池具有相對(duì)較高的能量密度，理論上可達(dá)到更高的能量?jī)?chǔ)存水準(zhǔn)；使用廉價(jià)的硫和鋰元素。缺點(diǎn)包括：電池迴圈壽命較短，充放電迴圈次數(shù)有限；電池可能存在過(guò)熱引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。鋰硫電池在高能量密度領(lǐng)域有巨大潛力，研究方向主要包括提高迴圈壽命、改善安全性以及探索新型正負(fù)極材料。

鋅離子電池使用鋅離子進(jìn)行電荷和放電。在充電過(guò)程中，鋅被氧化成鋅離子，而在放電過(guò)程中，鋅離子被還原成金屬鋅。優(yōu)點(diǎn)包括：鋅是一種廣泛可獲得的材料，因此製造成本相對(duì)較低；鋅電池具有較高的能量密度，適用於一次性電池和小型電子設(shè)備。缺點(diǎn)包括：鋅電池可能在迴圈壽命和穩(wěn)定性方面受到限制；相較於鋰離子電池，鋅電池的重量相對(duì)較大。鋅離子電池作為一種低成本、高能量密度的電池技術(shù)，在特定應(yīng)用場(chǎng)景中具有潛在市場(chǎng)，未來(lái)的研究主要集中在提高壽命和減輕重量。

太陽(yáng)能電池圖片

太陽(yáng)能電池是一種將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件，適用於發(fā)電站和戶用太陽(yáng)能系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)包括：太陽(yáng)能電池通過(guò)利用太陽(yáng)能源，產(chǎn)生零排放的清潔能源；太陽(yáng)能是可再生的資源，不會(huì)耗盡。缺點(diǎn)包括：夜晚或雲(yún)天氣時(shí)，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力會(huì)減少；製造太陽(yáng)能電池的材料和工藝相對(duì)昂貴。太陽(yáng)能電池技術(shù)在不斷進(jìn)步，主要發(fā)展方向包括提高轉(zhuǎn)換效率、降低製造成本、拓展可用材料等，以更廣泛地應(yīng)用於不同場(chǎng)景。

由此可見(jiàn)，鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、鋅離子電池和太陽(yáng)能電池等電池具有諸多優(yōu)勢(shì)，不過(guò)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也存在一定的缺陷。為瞭解決這些不足，部分研究者使用了鎢化合物如納米鎢酸、納米三氧化鎢/黃色氧化鎢、納米紫色氧化鎢、鈮鎢氧化物、納米二硫化鎢、納米二硒化鎢、納米氮化鎢等來(lái)作為正負(fù)極材料的改性劑。

中鎢在線納米三氧化鎢圖片

中鎢在線納米紫色氧化鎢圖片

12.1 納米鎢酸在電池中的挑戰(zhàn)與解決方法

納米鎢酸（H2WO4）是一種鎢的含氧酸鹽，具有高比表面積和優(yōu)異的電導(dǎo)率。納米鎢酸在電池中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)：（1）納米鎢酸由於其納米級(jí)的尺寸，具有非常大的比表面積。這意味著在電極材料中，更多的活性物質(zhì)可以暴露出來(lái)，從而增強(qiáng)反應(yīng)活性，提高電池的能量密度。以100m2/g的電極材料為例，其比表面積是普通電極材料的數(shù)倍，從而顯著提高了電池的能量?jī)?chǔ)存和釋放能力。（2）納米鎢酸具有優(yōu)良的電導(dǎo)率，這意味著電流在材料中流動(dòng)時(shí)受到的阻力較小，減少了能量損失。這對(duì)於需要大量電流的電池應(yīng)用來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，例如電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車。

中鎢在線鎢酸圖片

納米鎢酸在電池中應(yīng)用的不足：（1）合成成本高：儘管納米鎢酸具有許多優(yōu)點(diǎn)，但其合成過(guò)程相對(duì)複雜，成本較高。一些納米材料的製備需要使用特殊的設(shè)備和條件，這會(huì)增加生產(chǎn)成本。目前，納米鎢酸的製備主要依賴於化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠法等複雜技術(shù)，這些技術(shù)的生產(chǎn)效率相對(duì)較低，且需要大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原材料。因此，尋找一種更經(jīng)濟(jì)、高效的合成方法成為了納米鎢酸大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。（2）穩(wěn)定性問(wèn)題：納米鎢酸在電池中應(yīng)用時(shí)，其穩(wěn)定性也是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。由於其納米級(jí)的尺寸，納米鎢酸容易團(tuán)聚和氧化，這會(huì)影響其在電池中的性能。此外，納米鎢酸在電池充放電過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生體積變化，導(dǎo)致電極材料結(jié)構(gòu)的破壞，影響電池的迴圈壽命。

中鎢在線鎢酸圖片

納米鎢酸在電池中應(yīng)用的解決方法：

（1）經(jīng)濟(jì)高效的合成方法：為了降低納米鎢酸的生產(chǎn)成本，科研人員正在積極尋找更經(jīng)濟(jì)高效的合成方法。例如，利用微波輔助法、超聲化學(xué)法等新興技術(shù)可以大幅度提高納米鎢酸的生產(chǎn)效率。此外，通過(guò)優(yōu)化合成條件和原材料的選擇，可以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。例如，利用廉價(jià)的鎢酸鹽和適當(dāng)?shù)倪€原劑進(jìn)行化學(xué)還原反應(yīng)，可以製備出高純度的納米鎢酸。這些改進(jìn)措施有望降低納米鎢酸在電池中的成本，使其更具競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）提高穩(wěn)定性：針對(duì)納米鎢酸在電池中的穩(wěn)定性問(wèn)題，可以通過(guò)表面改性和複合材料等方法來(lái)提高其穩(wěn)定性。例如，將納米鎢酸與其他導(dǎo)電材料複合，形成具有優(yōu)異性能的複合電極材料。通過(guò)優(yōu)化複合材料的組成和結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高納米鎢酸在電池中的穩(wěn)定性和迴圈壽命。此外，對(duì)納米鎢酸進(jìn)行表面包覆或修飾也可以有效地防止其氧化和團(tuán)聚，提高其在電池中的性能表現(xiàn)。

（3）深入研究電化學(xué)性能：為了更好地瞭解納米鎢酸在電池中的電化學(xué)性能和反應(yīng)機(jī)制，需要進(jìn)行更深入的研究。通過(guò)電化學(xué)測(cè)試和表徵技術(shù)，可以獲得納米鎢酸電極材料的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、反應(yīng)活性和擴(kuò)散係數(shù)等重要資訊。這些資料有助於優(yōu)化納米鎢酸在電池中的性能表現(xiàn)，並為改進(jìn)和完善其應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

12.2 納米三氧化鎢在電池中的挑戰(zhàn)與解決方法

12.3 納米紫色氧化在電池中的挑戰(zhàn)與解決方法

12.4 鈮鎢氧化物在電池中的挑戰(zhàn)與解決方法

12.5 納米二硫化鎢在電池中的挑戰(zhàn)與解決方法

納米二硫化鎢（WS2）是硫化鎢的納米級(jí)形態(tài)，具有高比表面積和優(yōu)異的電導(dǎo)率，使其成為電池領(lǐng)域備受關(guān)注的材料。

納米二硫化鎢在鋰硫電池中的充放電反應(yīng)：
充電：Li++e?+WS2→LiWS2
放電：LiWS2→Li++e?+WS2

中鎢在線納米二硫化鎢圖片

納米二硫化鎢在電池中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)：（1）高比表面積（150m^2/g）：納米WS2由於納米級(jí)尺寸，擁有更大的比表面積，為電池提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)。這特性有助於提高電極反應(yīng)速率，增強(qiáng)電池性能。（2）優(yōu)異的電導(dǎo)率（1.0S/cm）：具有優(yōu)異電導(dǎo)率的納米WS2能夠改善電極的導(dǎo)電性能，減小電阻損耗，提高電池的整體效率。（3）高儲(chǔ)能密度：由於納米WS2的高比表面積和優(yōu)異的電導(dǎo)率，其在電池中表現(xiàn)出色的儲(chǔ)能性能，有望提高電池的能量密度，延長(zhǎng)使用壽命。（4）可調(diào)控的電化學(xué)性能：納米材料的優(yōu)勢(shì)之一是其可調(diào)控的電化學(xué)性能，可以通過(guò)控制合成條件或摻雜等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米WS2電化學(xué)性能的調(diào)控，以滿足不同電池應(yīng)用的需求。

納米二硫化鎢在電池中應(yīng)用的不足：納米WS2可能在迴圈中受到材料壽命的限制，主要表現(xiàn)為迴圈過(guò)程中的結(jié)構(gòu)破壞、活性位元點(diǎn)失活等問(wèn)題，影響電池的迴圈壽命。