鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（一）

第一章 電池、鎢、鉬和稀土的基本概念

1.1 蓄電池

電池（Battery）是能够將化學能轉化爲電能的裝置，由正極、負極、電解質和隔膜組成，工作原理基于電化學反應，電池連接到外部電路時，正極和負極之間發生化學反應，釋放出電子，形成電流，同時電池內的離子在電解質中移動以維持電荷平衡，將化學能轉化爲電能。

電池的發展歷程可以追溯到18世紀末，伏打發現了第一個化學電池，即伏打電池。近年來，鋰離子電池因高能量密度和輕量化成爲最常見的電池類型，廣泛應用于移動設備和電動汽車等領域。此外，燃料電池、太陽能電池等新型電池技術也在不斷涌現。

電池性能通常由電動勢（電壓）、容量、比能量和電阻等參數描述。它們的應用廣泛，包括便携式電子設備、電動汽車、可再生能源存儲、航空航天、軍事應用等領域。電池作爲能量存儲和供應的重要裝置，在現代社會發揮著關鍵作用，不斷的技術創新將進一步推動電池性能提升和應用領域拓展。

1.1.1 蓄電池基本結構

蓄電池的構造是一個複雜而精密的工程，它包括了多個關鍵組件，如正極材料、負極材料、隔板/隔膜、電解液、槽殼、連接條、電極樁等，每個組件都在電池的性能和功能中發揮著重要的作用。

其中，槽殼是電池的外殼，通常由金屬或塑料製成，作用是容納電池的所有組件，保護電池內部免受外部環境的影響，幷提供機械支撑。連接條是連接電池內部組件的導綫或連接器，通過槽殼上的密封來連接到外部電路，使電池能够向外提供電流，電極樁是連接正負極板的導綫，通過槽殼上的密封與外部電路連接，其設計和材料選擇對電池性能和安全性至關重要。

1.1.1.1 正極材料

電池的正極材料在電池工作中扮演著至關重要的角色，負責接收電子，嵌套或釋放正離子，幷參與電池的化學反應過程。正極材料的質量直接影響蓄電池的性能，如容量、充電速度、循環壽命和安全性等。另外，正極材料的選擇取决于電池類型，例如，鋰離子電池的正極材料通常是鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰或三元材料，而鎳鎘電池的正極材料通常是氧化鎳。

正極材料的工作原理取决于電池的類型和化學反應。以鋰離子電池爲例，正極材料通常是一種鋰化合物，如鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）等。在充電過程中，鋰離子從正極材料中抽出幷嵌套到負極材料中。這導致正極材料中的金屬離子减少，同時電池電壓升高。在放電過程中，鋰離子從負極材料遷移到正極材料，還原金屬離子，同時電池電壓降低。這種鋰離子的嵌套和釋放過程構成了電池的充放電過程。

1.1.1.2 負極材料

負極，又被稱爲電池的電勢較低一端，是電路中電子流出的一極，是構成電池負極的核心原料，通常在原電池反應方程中位于左側，負責氧化反應。

在鋰離子電池中，負極材料是由負極活性物質（通常是碳材料或非碳材料）、粘合劑以及添加劑混合製成的糊狀物質，然後均勻塗抹在銅箔的兩側，最終通過乾燥和滾壓工藝加工而成。負極材料在鋰離子電池中扮演著至關重要的角色，因爲它必須能够可逆地嵌入和釋放鋰離子，這一過程是鋰離子電池正常充電和放電的基礎。因此，負極材料的性能和製備工藝對于鋰離子電池的性能和穩定性具有至關重要的影響。

目前，常見的負極材料包括碳負極材料、錫基負極材料、含鋰過渡金屬氮化物負極材料、合金類負極材料和納米級負極材料。

1.1.1.3 電解液

電解液，作爲鋰離子電池中至關重要的組成部分，是一種特殊的液體或固體物質，位于電池的正極材料和負極材料之間，充當了離子的傳輸通道。其主要作用是促使鋰離子在電池的充電和放電過程中在正負極之間流動，從而産生電流和電能。電解液的性能對電池的性能、安全性和穩定性都有著重要影響。

電解液通常由一種或多種鹽類溶解在有機溶劑或聚合物中而成。這些鹽類通常包含鋰鹽，如LiPF6、LiBF4、LiClO4等，它們在電池工作時分解成鋰離子（Li+）和相應的負離子。有機溶劑或聚合物則用于稀釋和承載這些離子，同時提供必要的離子傳輸通道。

1.1.1.4 隔膜

隔膜，作爲鋰離子電池中的關鍵組成部分，是一種薄而微孔的物質，通常由聚合物或纖維材料製成如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚醯胺等。隔膜位于電池的正極和負極之間，起著隔離和防止正負極直接接觸的重要作用。

隔膜中的微孔允許鋰離子在充電和放電過程中自由傳輸，但同時阻止了電池中的電子流動，從而防止了正負極之間的短路。這種物理隔離是關鍵，因爲正負極直接接觸將導致電池的短路，可能引發嚴重的安全問題。

一般情况下，隔膜應具備以下幾個特點：要提供電池正負極之間的物理隔離；高離子傳導率；低電子導電性；良好的化學穩定性、耐熱性和機械强度等。

1.1.2 蓄電池工作原理

蓄電池，也稱爲蓄電池電池或化學電池，是一種能將化學能轉換爲電能幷存儲起來供以後使用的設備。它的工作原理涉及電化學反應，允許在充電時將電能儲存在電池中，然後在需要電能時將其釋放出來。以下是蓄電池的工作原理的詳細解釋：

充電過程：在充電時，外部電源將電流傳送到電池中，這使正極發生還原反應，負極發生氧化反應。在這個過程中，正極會吸收電子，負極會釋放電子。同時，離子在電解質中移動，經過隔膜，將離子從正極傳輸到負極。這個過程將化學能轉化爲電能，儲存在電池中。

放電過程：當電池連接到外部電路幷提供電流時，儲存在電池中的化學能將被釋放。這導致正極發生氧化反應，負極發生還原反應。在這個過程中，正極釋放電子，負極吸收電子，離子在電解質中移動，經過隔膜，將離子從正極傳輸到負極。這個過程釋放了電子，將儲存在電池中的電能轉化爲電流，供外部電路使用。

1.1.3 蓄電池分類

1.1.3.1 傳統電池

1.1.3.2 新能源電池

1.1.3.3 動力電池

1.1.3.4 儲能電池

1.1.3.5 圓柱電池

1.1.3.6 方形電池

1.1.3.7 軟包電池

1.1.4 新能源電池的發展歷程

1.1.5 新能源電池應用領域

1.1.6 新能源電池市場趨勢和前景

1.1.6.1 新能源電池行業發展現狀

1.1.6.2 新能源電池行業發展前景

1.2 金屬鎢

鎢（Tungsten），化學元素符號爲W，原子序數74，原子量183.84，位于元素周期表第六周期的VIB族。在自然界中，鎢以主要爲六價陽離子的形式存在，其離子半徑極小。由于離子半徑小、電荷高、極化能力强，鎢易于形成絡陰離子，如[WO4]2-，幷與溶液中的Fe2+、Mn2+、Ca2+等陽離子結合形成黑鎢礦或白鎢礦的沉澱物。

1.2.1 鎢的理化性質

鎢是一種高熔點的稀有金屬，可以增加鋼材的高溫硬度。它的外觀呈銀白色，與鋼相似。鎢的熔點非常高，蒸氣壓很低，蒸發速度也相對較慢。鎢的化學性質非常穩定，在常溫下不會與空氣或水發生反應。未受熱的情况下，無論鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸還是王水，任何濃度的酸都不會對鎢産生明顯影響。當溫度升至80°C至100°C時，除了氫氟酸外，其他酸對鎢也只會産生微弱的反應。

在室溫下，鎢可以迅速溶解于混合酸中，如氫氟酸和濃硝酸，但不會在鹼性溶液中起作用。在存在空氣的情况下，熔融碱可以將鎢氧化爲鎢酸鹽，而在氧化劑存在的情况下（如NaNO3、NaNO2、KClO3、PbO2），與鎢生成鎢酸鹽的反應更爲劇烈。在高溫下，鎢可以與氧、氟、氯、溴、碘、碳、氮、硫等元素發生化合反應，但不會與氫發生反應。

1.2.2 鎢的發展歷史

鎢的發現可以追溯到1781年，瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒首次提取出了鎢酸這一新元素。隨後，西班牙化學家德普爾亞于1783年發現了黑鎢礦，幷從中提取出鎢酸。同年，首次使用碳還原三氧化鎢制得了鎢粉，幷賦予了這一元素名稱。鎢在地殼中的含量較低，僅占0.001%。至今已經發現了20種含鎢礦物，通常這些礦床伴隨著花崗質岩漿活動而形成。

鎢在金屬切削加工領域發揮著關鍵作用。雖然早在18世紀50年代，人們就已經發現鎢對鋼材性質有影響，但鎢鋼的廣泛應用是在19世紀末和20世紀初才開始的。1900年，在巴黎世界博覽會上，首次展出了高速鋼，標志著鎢提取工業迅速發展。這一材料的出現推動了金屬切削加工領域的技術進步。

除了在金屬材料中的應用，鎢還在照明領域發揮著重要作用。在1927-1928年間，以碳化鎢爲主要成分的硬質合金問世，這一時期標志著鎢工業的重要里程碑。這些合金在各個方面的性能都超越了最優質的工具鋼，因此在現代技術中得到了廣泛應用。

1.2.3 鎢的用途

鎢是一種銀白色且具有高光澤的金屬，其硬度和熔點均極高，同時化學性質相對穩定。在常溫下，鎢不受空氣侵蝕，因此被廣泛應用于各個領域。其主要用途包括：

電子器件製造：金屬鎢用作電極、導綫和引綫材料，特別適用于真空管、半導體器件和電子管等電子器件。它的高熔點和熱穩定性使其能够在高溫下工作，而且對電子流的控制性能良好。

光學應用：金屬鎢因其高密度和高熔點而被用于製造高性能光學元件，如X射綫窗口、射綫屏蔽材料和激光反射鏡。它在高功率激光系統中表現出色。

電池電極材料：衆多鎢化合物憑藉著良好的物理化學性質，廣泛應用于電池的電極材料中。常見的鎢化合物包括納米鎢酸，納米三氧化鎢，針狀紫色氧化鎢，納米二氧化鎢，鈮鎢氧化物，氮化鎢，硼化鎢，二硫化鎢納米片，二硒化鎢納米片，鎢酸鈉，鎢酸鋅，鎢酸鈷等。

電刺激和醫療器械：金屬鎢用于製造電刺激電極，這在醫療器械中用于神經刺激和治療。它還用于製造射綫治療裝置的過濾器和防護材料。

航空航天工業：金屬鎢因其高强度和耐高溫性能而被廣泛用于航空發動機部件、火箭噴嘴和航天器件。它能够在極端的溫度和壓力條件下保持穩定性。

電弧焊接和切割：金屬鎢的高熔點和穩定性使其成爲電弧焊接電極的理想選擇，用于焊接不銹鋼、鎳合金和其他高溫合金。它還用于等離子體切割過程中的電極。

熱電偶和溫度計：金屬鎢因其穩定的電阻率隨溫度變化而著稱，因此用于製造高溫熱電偶和溫度計，適用于高溫環境的溫度測量。

核工業：鎢用于核反應堆的控制材料和核反應堆內部構件，因爲它能够抵抗高溫和輻射。

鎢合金：金屬鎢通常與其他元素合金化，形成鎢合金，如鎢鉬合金、鎢鐵合金和鎢銅合金。這些合金具有不同的性質，可用于各種特定應用，如高溫工具、電子器件和航空航天部件製造。

1.3 金屬鉬

1.3.1 鉬的理化性質

1.3.2 鉬的發展歷史

1.3.3 鉬的用途

1.4 稀土元素

1.4.1 稀土用途

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