鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（十二）
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- 分類：鎢新聞
- 發佈於：2024-02-27, 週二 10:53
- 作者 Xiaoting
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第Ⅱ部分 鎢在新能源電池市場的介紹
第十二章 鎢在電池中的技術挑戰與解決方案
電池是一種將化學能轉化為電能的裝置，通過在電池內的電化學反應來實現。常見的儲能電池和動力電池包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、鋅離子電池和太陽能電池等。
鋰離子電池是一種通過鋰離子在正負極之間移動來儲存和釋放電能的二次電池，適用於移動設備（手機、平板等）、電動汽車和儲能系統中。優點包括：具有相對較高的能量密度，使其成為移動設備和電動汽車等領域的理想選擇；較長的迴圈壽命，能夠經受多次充放電迴圈而保持性能；相對較輕，適用於需要輕量設計的應用。鋰離子電池的缺點包括：成本較高，因為使用了相對昂貴的材料如鈷；在極端條件下，鋰離子電池可能出現過熱、著火或爆炸的安全問題；鈷等材料的有限供應可能限制鋰離子電池的大規模應用。
鈉離子電池與鋰離子電池類似，但使用鈉離子作為儲能材料，適合應用于大規模儲能系統中，尤其適用於需求不那麼關注體積和重量的場合。優點包括：鈉較鋰更為豐富，降低了電池製造的原材料成本。缺點包括：鈉離子電池的離子體積較大，導致電池體積相對較大；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，鋰作為負極材料的電池。在放電過程中，硫被氧化成多價態離子，儲存電荷。優點包括：鋰硫電池具有相對較高的能量密度，理論上可達到更高的能量儲存水準；使用廉價的硫和鋰元素。缺點包括：電池迴圈壽命較短，充放電迴圈次數有限；電池可能存在過熱引發火災的風險。鋰硫電池在高能量密度領域有巨大潛力，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極材料。
鋅離子電池使用鋅離子進行電荷和放電。在充電過程中，鋅被氧化成鋅離子，而在放電過程中，鋅離子被還原成金屬鋅。優點包括：鋅是一種廣泛可獲得的材料，因此製造成本相對較低；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備。缺點包括：鋅電池可能在迴圈壽命和穩定性方面受到限制；相較於鋰離子電池，鋅電池的重量相對較大。鋅離子電池作為一種低成本、高能量密度的電池技術，在特定應用場景中具有潛在市場，未來的研究主要集中在提高壽命和減輕重量。
太陽能電池是一種將太陽輻射能轉化為電能的半導體器件，適用於發電站和戶用太陽能系統。優點包括：太陽能電池通過利用太陽能源，產生零排放的清潔能源；太陽能是可再生的資源，不會耗盡。缺點包括：夜晚或雲天氣時，太陽能電池產生的電力會減少；製造太陽能電池的材料和工藝相對昂貴。太陽能電池技術在不斷進步，主要發展方向包括提高轉換效率、降低製造成本、拓展可用材料等，以更廣泛地應用於不同場景。
由此可見，鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、鋅離子電池和太陽能電池等電池具有諸多優勢，不過，在實際應用過程中也存在一定的缺陷。為了解決這些不足，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、納米氮化鎢等來作為正負極材料的改性劑。
12.1 納米鎢酸在電池中的技術挑戰與解決方法
納米鎢酸（H2WO4）是一種鎢的含氧酸鹽，具有高比表面積和優異的電導率。納米鎢酸在電池中應用的優勢：（1）納米鎢酸由於其納米級的尺寸，具有非常大的比表面積。這意味著在電極材料中，更多的活性物質可以暴露出來，從而增強反應活性，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倍，從而顯著提高了電池的能量儲存和釋放能力。（2）納米鎢酸具有優良的電導率，這意味著電流在材料中流動時受到的阻力較小，減少了能量損失。這對於需要大量電流的電池應用來說是至關重要的，例如電動汽車和混合動力汽車。
納米鎢酸在電池中應用的不足：（1）合成成本高：儘管納米鎢酸具有許多優點，但其合成過程相對複雜，成本較高。一些納米材料的製備需要使用特殊的設備和條件，這會增加生產成本。目前，納米鎢酸的製備主要依賴於化學氣相沉積、溶膠-凝膠法等複雜技術，這些技術的生產效率相對較低，且需要大量的實驗設備和原材料。因此，尋找一種更經濟、高效的合成方法成為了納米鎢酸大規模應用的關鍵問題。（2）穩定性問題：納米鎢酸在電池中應用時，其穩定性也是一個需要關注的問題。由於其納米級的尺寸，納米鎢酸容易團聚和氧化，這會影響其在電池中的性能。此外，納米鎢酸在電池充放電過程中可能會發生體積變化，導致電極材料結構的破壞，影響電池的迴圈壽命。
納米鎢酸在電池中應用的解決方法：
（1）經濟高效的合成方法：為了降低納米鎢酸的生產成本，科研人員正在積極尋找更經濟高效的合成方法。例如，利用微波輔助法、超聲化學法等新興技術可以大幅度提高納米鎢酸的生產效率。此外，通過優化合成條件和原材料的選擇，可以進一步降低生產成本。例如，利用廉價的鎢酸鹽和適當的還原劑進行化學還原反應，可以製備出高純度的納米鎢酸。這些改進措施有望降低納米鎢酸在電池中的成本，使其更具競爭力。
（2）提高穩定性：針對納米鎢酸在電池中的穩定性問題，可以通過表面改性和複合材料等方法來提高其穩定性。例如，將納米鎢酸與其他導電材料複合，形成具有優異性能的複合電極材料。通過優化複合材料的組成和結構，可以進一步提高納米鎢酸在電池中的穩定性和迴圈壽命。此外，對納米鎢酸進行表面包覆或修飾也可以有效地防止其氧化和團聚，提高其在電池中的性能表現。
（3）深入研究電化學性能：為了更好地瞭解納米鎢酸在電池中的電化學性能和反應機制，需要進行更深入的研究。通過電化學測試和表徵技術，可以獲得納米鎢酸電極材料的動力學參數、反應活性和擴散係數等重要資訊。這些資料有助於優化納米鎢酸在電池中的性能表現，並為改進和完善其應用提供科學依據。
12.2 納米三氧化鎢在電池中的技術挑戰與解決方法
12.3 納米紫色氧化在電池中的技術挑戰與解決方法
12.4 鈮鎢氧化物在電池中的技術挑戰與解決方法
12.5 納米二硫化鎢在電池中的技術挑戰與解決方法
納米二硫化鎢（WS2）是硫化鎢的納米級形態，具有高比表面積和優異的電導率，使其成為電池領域備受關注的材料。
納米二硫化鎢在鋰硫電池中的充放電反應：
充電：Li++e−+WS2→LiWS2
放電：LiWS2→Li++e−+WS2
納米二硫化鎢在電池中應用的優勢：（1）高比表面積（150m^2/g）：納米WS2由於納米級尺寸，擁有更大的比表面積，為電池提供更多的反應活性位點。這特性有助於提高電極反應速率，增強電池性能。（2）優異的電導率（1.0S/cm）：具有優異電導率的納米WS2能夠改善電極的導電性能，減小電阻損耗，提高電池的整體效率。（3）高儲能密度：由於納米WS2的高比表面積和優異的電導率，其在電池中表現出色的儲能性能，有望提高電池的能量密度，延長使用壽命。（4）可調控的電化學性能：納米材料的優勢之一是其可調控的電化學性能，可以通過控制合成條件或摻雜等手段，實現對納米WS2電化學性能的調控，以滿足不同電池應用的需求。
納米二硫化鎢在電池中應用的不足：納米WS2可能在迴圈中受到材料壽命的限制，主要表現為迴圈過程中的結構破壞、活性位元點失活等問題，影響電池的迴圈壽命。
納米二硫化鎢在電池中應用的解決方案：
（1）開發更穩定的硫化物材料：為了克服材料壽命限制，研究人員可以致力於開發更穩定、壽命更長的硫化物材料。通過結構優化、表面修飾等手段，提高納米WS2在電池中的迴圈穩定性。
（2）探索新型合成方法：研究人員可以探索新型的、更加可控的合成方法，以提高納米WS2的結晶度和納米級別的均一性。這有助於降低材料的缺陷密度，提高電池的整體性能。
（3）表面塗層保護：採用表面塗層保護的方法，通過包覆材料來保護納米二硫化鎢的表面，減緩與電解質的相互作用，降低活性位元點的失活速率，從而提高電池的壽命。
12.6 納米二硒化鎢在電池中的技術挑戰與解決方法
12.7 納米氮化鎢在電池中的技術挑戰與解決方法
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