鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（二，下）

第I部分 電池、鎢、鉬和稀土的介紹

第二章 常見電池的介紹（下）

2.9 鈉離子電池

鈉離子電池（NIBs）是一種新型電池技術，其正極材料通常采用鈉鹽，負極材料則采用鋁箔。

在電池充放電過程中，鈉離子會從正極移動到負極或從負極移動到正極，以實現電荷的平衡。這種電池具有高能量密度、長壽命、環保等優點。

鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，不同之處在于鈉離子電池使用鈉離子作爲電荷載體，而鋰離子電池使用鋰離子作爲電荷載體。由于鈉離子電池的鈉離子尺寸較大，因此在充放電過程中難以嵌入和脫出電極材料，因此需要采用特殊的電極材料和電解質體系來提高電池的電化學性能。

鈉離子電池的研究和開發始于20世紀80年代，但直到近年來隨著鋰離子電池技術的成熟和普及，鈉離子電池才逐漸受到關注。目前，全球範圍內有許多公司和實驗室正在研究和開發鈉離子電池技術，幷取得了一些突破性進展。

鈉離子電池的應用前景廣泛，可以用于電動汽車、儲能系統、電力系統的備用電源等領域。由于鈉離子電池的原料成本較低，且鈉鹽的儲量豐富，因此可以大大降低電池的成本。此外，鈉離子電池的安全性也較高，不會發生像鋰離子電池那樣的過熱或燃燒等危險情况。

然而，鈉離子電池的充放電速度較慢，且循環壽命較短，因此還需要進一步研究和改進。此外，由于鈉離子電池技術的成熟度和商業化程度較低，目前市場上的主要電池技術仍然是鋰離子電池。但是，隨著技術的不斷進步和市場需求的增加，鈉離子電池有望在未來成爲主流電池技術之一。

2.9.1 鈉離子電池基本結構

2.9.1.1 鈉離子電池正極材料

2.9.1.1.1 鈉電池層狀氧化物正極材料

2.9.1.1.2 鈉電池普魯士藍正極材料

2.9.1.1.3 鈉電池聚陰離子化合物正極材料

2.9.1.2 鈉離子電池負極材料

2.9.1.2.1 鈉電池碳負極材料

2.9.1.2.2 鈉電池鎢基負極材料

鈉電池的鎢基負極材料是一種新興的電池技術，具有高能量密度、長壽命、低成本等優點。這種材料是通過將鎢基金屬納米顆粒與碳複合，形成一種類似于石墨的結構，從而實現在鈉離子電池中作爲負極材料的應用。

鎢基負極材料的優點在于其高能量密度，可達到250mAh/g以上，同時其循環壽命也較長，能够達到1000次以上。此外，由于鎢基金屬的化學穩定性較高，這種材料在高溫和高電壓條件下也表現出良好的穩定性。

然而，鎢基負極材料也存在一些問題需要解决。首先，其製備過程較爲複雜，成本較高。其次，雖然其循環壽命較長，但是在快速充放電的條件下，其容量會迅速衰减，影響電池的性能。此外，鎢基金屬的電導率較低，會對電池的電化學性能産生影響。

爲了克服這些問題，科研人員正在研究如何優化鎢基負極材料的製備工藝和結構，以提高其電導率和循環性能。同時，也在探索將鎢基負極材料與其他材料相結合，以實現更高效、更可靠的鈉離子電池。

2.9.1.2.4 鈉電池合金負極材料

2.9.1.3 鈉離子電池隔膜

2.9.1.4 鈉離子電池電解液

2.9.2 鈉離子電池工作原理

2.9.3 鈉離子電池主要特性

2.9.4 鈉離子電池生産工序

2.9.5 鈉離子電池性能的影響因素

2.9.5.1 正極材料對鈉離子電池性能的影響

2.9.5.2 負極材料對鈉離子電池性能的影響

2.9.5.3 隔膜對鈉離子電池性能的影響

2.9.5.4 電解液對鈉離子電池性能的影響

2.9.5.5 放電深度對鈉離子電池壽命的影響

2.9.5.6 過充電程度對鈉離子電池壽命的影響

2.9.5.7 溫度對鈉離子電池壽命的影響

2.9.5.8 放電電流密度對鈉離子電池壽命的影響

2.9.6 鈉離子電池技術指標

2.9.7 鈉離子電池使用注意事項

2.9.8 鈉離子電池的應用

2.9.9 鈉離子電池的發展現狀

自20世紀80年代以來，鈉離子電池技術已經經歷了近40年的發展。早期的鈉離子電池主要集中在研究層狀氧化物、普魯士藍類化合物等正極材料，而負極主要采用石墨或硬碳等碳基材料。然而，由于鈉離子半徑較大，無法在石墨或硬碳中可逆脫嵌，因此早期的鈉離子電池容量較低，循環壽命也不理想。

近年來，隨著科研技術的進步，鈉離子電池的性能得到了顯著提升。一方面，研究者們發現了新的正極材料，如層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物等，這些材料具有較高的理論容量和良好的電化學性能。另一方面，研究者們也探索了新的負極材料，如合金類材料、碳基材料等，這些材料在鈉離子嵌入和脫出過程中表現出較好的穩定性和可逆性。

目前，鈉離子電池的商業化應用已經取得了一定的進展。一些大型能源企業和科研機構已經開始進行鈉離子電池的量産和推廣。例如，中國的新能源企業寧德時代已經成功開發出了具有自主知識産權的鈉離子電池，幷計劃在未來幾年內實現量産。此外，一些國際知名科研機構和高校也在積極開展鈉離子電池的研究和開發工作，爲未來的能源存儲技術發展奠定了基礎。

前瞻産業研究院消息顯示，根據全球調研機構BISResearch發布的報告數據，2021年全球鈉離子電池市場規模約爲5.28億美元，2022年約5.49億美元，其中亞太地區因新能源市場的快速增長，成爲鈉離子電池相關産品應用的最大市場。

智研諮詢消息顯示，2022年我國鈉離子電池産量約爲0.5Gwh，鈉離子電池需求總量爲0.10GWh；預計2023年我國鈉離子電池産量約爲3Gwh，鈉離子電池需求總量爲1.65GWh左右。從我國鈉離子電池需求分布領域來看，預計2023年國內需求總量在1.652GWh左右，其中兩輪車領域需求爲0.44GWh，占26.67%；A00級電動車領域需求爲0.72GWh，占43.64%；儲能領域需求爲0.08GWh，占4.85%；電動工具、工程機械、啓動電源等其他領域需求爲0.41GWh，占24.85%。

據悉，目前中國布局鈉離子電池生産和製造的企業主要分爲兩類。一類是傳統的鋰電池廠商，如寧德時代、欣旺達、億緯鋰能、鵬輝能源。這些企業在鋰電池領域有著豐富的經驗和資源，幷且看到了鈉離子電池的潜力和未來發展趨勢，因此開始切入鈉離子電池的生産和製造。

另一類是創新型企業，如中科海鈉、鈉創新能源和傳藝科技。這些企業多爲初創公司，有著較强的研發能力和技術背景，專注于探索和開發鈉離子電池的新技術和新應用。它們通常會從“0”到“1”參與鈉離子電池産業布局，通過技術創新和研發投入來推動鈉離子電池的發展和應用。

無論是傳統鋰電池廠商還是創新型企業，它們在布局鈉離子電池生産和製造時都有自己的優勢和挑戰。傳統鋰電池廠商在生産工藝、質量控制、供應鏈管理等方面有著較强的實力和經驗，而創新型企業在技術研發、産品創新、市場開拓等方面更具活力和靈活性。

鈉離子電池是國家政策重點支持發展的新型電池技術之一。未來智庫消息顯示，2021年4月，國家發改委和國家能源局聯合發布《關于新型儲能發展的指導意見》中，首次將鈉離子電池列入其中。2022年3月，國家發改委、國家能源局在《“十四五”新型儲能發展方案》中明確提出要推動多元化技術開發，要開展鈉離子電池、新型鋰離子電池等關鍵技術裝備和集成優化設計研究，集中攻關。2022年7月，在工信部發布的《關于印發2022年第二批行業標準修訂和外文版項目計劃的通知》中，我國首批鈉離子電池行業標準《鈉離子電池術語和詞匯》（2022-1103T-SJ）和《鈉離子電池符號和命名》（2022-1102T-SJ）計劃正式下達。

2.9.10 鈉離子電池的發展前景

2.9.11鈉離子電池的發展瓶頸

2.10 鋅離子電池

2.10.1 鋅離子電池基本結構

2.10.1.1 鋅離子電池正極材料

2.10.1.1.1 鋅電池正極材料的種類

2.10.1.1.2 鋅電池正極材料的製備方法

2.10.1.2 鋅離子電池負極材料

2.10.1.2.1 鋅電池負極材料的種類

2.10.1.3 鋅離子電池隔膜

2.10.1.3.1 鋅電池聚合物材料的選擇

2.10.1.3.2 鋅電池聚合物材料的優化

2.10.1.4 鋅離子電池電解液

2.10.1.4.1 鋅電池水系電解液

2.10.1.4.2 鋅電池非水系電解液

2.10.1.4.3 鋅電池混合電解液

2.10.2 鋅離子電池工作原理

鋅離子電池是一種先進的電池類型，具有高能量密度、長壽命和環保等優點。本文將詳細探討鋅離子電池的工作原理，包括正負極的反應過程、電解液的作用以及電池的充電和放電過程。

鋅離子電池的正極通常采用金屬氧化物材料，如MnO2、NiOOH等。在充電過程中，正極材料中的金屬離子被氧化，釋放出電子幷轉移到外電路中，同時生成Zn2+離子。這個過程可以用以下反應方程式表示：MnO2+H2O+e-→MnOOH+OH-；NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-

在放電過程中，Zn2+離子通過電解液遷移到負極表面，幷還原成金屬鋅，同時釋放出電子傳遞到外電路中。這個過程可以用以下反應方程式表示：Zn2++2e-→Zn

鋅離子電池的充電和放電過程是通過外部電路實現的。在充電時，正極材料中的金屬離子被氧化，電子通過外部電路傳遞到負極表面，同時生成Zn2+離子。在放電時，Zn2+離子通過電解液遷移到負極表面，幷還原成金屬鋅，同時釋放出電子傳遞到外電路中。這個過程中，電解液中的離子也會進行遷移和反應，以維持電池的正常工作。

2.10.3 鋅離子電池主要特性

2.10.4 鋅離子電池生産工序

2.10.5 鋅離子電池性能的影響因素

2.10.5.1 正極材料對鋅離子電池性能的影響

2.10.5.2 負極材料對鋅離子電池性能的影響

2.10.5.3 隔膜對鋅離子電池性能的影響

2.10.5.4 電解液對鋅離子電池性能的影響

2.10.5.5 放電深度對鋅離子電池壽命的影響

2.10.5.6 過充電程度對鋅離子電池壽命的影響

2.10.5.7 工作溫度對鋅離子電池壽命的影響

2.10.5.8 放電電流密度對鋅離子電池壽命的影響

2.10.6 鋅離子電池技術指標

2.10.7鋅離子電池使用注意事項

2.10.8 鋅離子電池的應用

2.10.9 鋅離子電池的發展現狀

2.10.10 鋅離子電池的發展前景

2.10.11 鋅離子電池的發展瓶頸

2.11 鎳氫電池

2.11.1 鎳氫電池基本結構

2.11.1.1 鎳氫電池正極材料

2.11.1.2 鎳氫電池負極材料

2.11.1.3 鎳氫電池隔膜

2.11.1.4 鎳氫電池電解液

2.11.2 鎳氫電池工作原理

2.11.3 鎳氫電池主要特性

2.11.4 鎳氫電池生産工序

2.11.5 鎳氫電池性能的影響因素

2.11.5.1 正極材料對鎳氫電池性能的影響

2.11.5.2 負極材料對鎳氫電池性能的影響

2.11.5.3 隔膜對鎳氫電池性能的影響

2.11.5.4 電解液對鎳氫電池性能的影響

2.11.5.5 放電深度對鎳氫電池壽命的影響

2.11.5.6 過充電程度對鎳氫電池壽命的影響

2.11.5.7 工作溫度對鎳氫電池壽命的影響

2.11.5.8 放電電流密度對鎳氫電池壽命的影響

2.11.6 鎳氫電池技術指標

2.11.7 鎳氫電池使用注意事項

2.11.8 鎳氫電池的應用

2.11.9 鎳氫電池的發展現狀

鎳氫電池，幾十年的發展歷程見證了其逐漸成熟的過程。如今，鎳氫電池的技術水平和性能已經達到了相當高的水準，使得它廣泛應用于混合動力汽車、電子設備、備用電源等領域。

目前，國內外鎳氫電池的比能量一般在60~80Wh/kg之間。這意味著每公斤的電池可以提供60~80瓦時（Wh）的電能，這個能量密度在電池界處于領先地位。而比功率在500~1000W/kg之間，這意味著電池可以在短時間內提供大量的電力，這對于高功率應用場景尤爲重要。循環壽命方面，鎳氫電池的循環壽命在500~2000次之間，這也與其質量和使用環境有關。，從成本角度來看，鎳氫電池的成本約爲200~300元/kg，相較于其他類型的電池，其成本相對較低。

目前，全球鎳氫電池生産主要集中在中國和日本，我國以生産小型鎳氫電池爲主，日本則以生産大型鎳氫電池爲主。同豐工程規劃消息顯示，日本松下開發的鎳氫電池，比能量達到了100Wh/kg，比功率達到了1500W/kg，循環壽命達到了3000次。美國通用汽車公司開發鎳氫電池，比能量達到了90Wh/kg，比功率達到了1200W/kg，循環壽命達到了2000次。中國中炬高新技術實業（集團）股份有限公司開發的鎳氫電池，比能量達到了80Wh/kg，比功率達到了1000W/kg，循環壽命達到了1500次。

思瀚産業研究院消息顯示，2006 年，我國已成爲全球鎳氫電池第一生産國。根據 Wind 數據，2022 年我國鎳氫電池産品出口額爲 5.52 億美元，同比增長 21.44%。QYResearch 調研顯示，2022 年全球小型鎳氫電池市場規模大約爲 7.76 億美元。

根據中金普華産業研究院的數據，2019年鎳氫電池産業市場規模約爲44.37億元，受疫情影響，到2020年産業市場規模略有下降，爲39.49億元，現有混合動力電池99%的市場份額爲鎳氫動力電池。預計到2023年，隨著新能源汽車和智能網聯汽車的發展，以及國家對綠色環保産業的支持，鎳氫電池産業市場規模將恢復增長，達到50億元左右。

2.11.10 鎳氫電池的發展前景

2.11.11 鎳氫電池的發展瓶頸

2.12 燃料電池

2.12.1 燃料電池基本結構

2.12.1.1 燃料電池陽極材料

2.12.1.2 燃料電池陰極材料

2.12.1.3 燃料電池隔膜

2.12.1.4 燃料電池電解質

2.12.1.5 燃料電池催化劑

燃料電池的催化劑的作用是促進氫氣和氧氣之間的電化學反應，將化學能轉化爲電能。催化劑的選擇和使用直接影響到燃料電池的性能和壽命。因此，燃料電池催化劑的研究和開發對于燃料電池的發展至關重要。

然而，目前燃料電池所面臨的難題之一是催化劑的抗腐蝕性差、使用壽命短，以及催化劑成本高。針對這些問題，研究者們一直在尋找更加高效、穩定、廉價的催化劑。最近，一種新型的催化劑——Pt/WO3/C引起了人們的關注。這種催化劑是由强化學穩定性的三氧化鎢（WO3）代替部分碳材料作爲燃料電池載體，進而與鉑（Pt）形成協同催化作用。這種催化劑具有極高的抗腐蝕性和使用壽命，同時還能降低催化劑的成本，提高催化活性。

三氧化鎢是一種寬帶隙半導體材料，具有優异的電學、光學和熱學性能。它具有穩定的化學性質，能够在高溫、强酸、强鹼等環境下保持穩定性。因此，WO3是一種理想的催化劑載體材料。在燃料電池中，WO3可以作爲陽極氧化的催化劑，促進氧氣的還原反應。同時，由于WO3與鉑具有協同催化作用，可以减少貴金屬鉑的使用量，降低催化劑的成本。

Pt/ WO3/C催化劑的結構和製備方法對催化劑的性能有著至關重要的影響。在製備過程中，需要嚴格控制催化劑的組成、結構和形貌，以保證催化劑的抗腐蝕性、穩定性和催化活性。同時，還需要對催化劑進行優化和修飾，以提高其電化學性能和穩定性。

相比于傳統的貴金屬催化劑，Pt/WO3/C催化劑具有更高的抗腐蝕性和使用壽命。這主要是因爲WO3的化學穩定性高，能够有效地保護催化劑不受腐蝕。同時，由于WO3與鉑的協同催化作用，可以降低鉑的使用量，進一步降低催化劑的成本。此外，Pt/ WO3/C催化劑還具有優异的電化學性能和穩定性，能够提高燃料電池的功率密度和淨功率。

除了Pt/WO3/C之外，還有其他類型的燃料電池催化劑，如Pt/C、Ru/C等。這些催化劑中，鉑和釕等貴金屬具有較高的催化活性，但它們的成本較高，且易受中毒影響。因此，研究者們一直在尋找更加高效、穩定、廉價的催化劑。

在催化劑的研究和開發中，除了催化劑的選擇和製備之外，還需要考慮催化劑的穩定性、抗毒性和可回收性等因素。同時，還需要深入研究電化學反應的機理和動力學，以優化催化劑的性能和設計。

2.12.1.6 燃料電池集電器

2.12.2 燃料電池工作原理

2.12.3 燃料電池主要特性

2.12.4 燃料電池生産工序

2.12.5 燃料電池性能的影響因素

2.12.5.1 陽極材料對燃料電池性能的影響

2.12.5.2 陰極材料對燃料電池性能的影響

2.12.5.3 催化劑對燃料電池性能的影響

2.12.5.4 隔膜對燃料電池性能的影響

2.12.5.5 電解質對燃料電池性能的影響

2.12.5.6 集電器對燃料電池性能的影響

2.12.5.7 工作溫度對燃料電池壽命的影響

2.12.5.8 工作壓力對燃料電池壽命的影響

2.12.5.9 電流密度對燃料電池壽命的影響

2.12.6 燃料電池技術指標

2.12.7 燃料電池使用注意事項

2.12.8 燃料電池的應用

2.12.9 燃料電池的發展現狀

2.12.10 燃料電池的發展前景

2.12.11 燃料電池的發展瓶頸

2.13 太陽能電池

太陽能電池是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片，又稱爲“太陽能芯片”或“光電池”。它只要被滿足一定照度條件的光照度，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情况下産生電流。太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光伏效應工作的晶矽太陽能電池爲主流，而以光化學效應工作的薄膜電池實施太陽能電池則還處于萌芽階段。2023年2月28日，國家統計局發布《中華人民共和國2022年國民經濟和社會發展統計公報》，報告顯示：2022年全年太陽能電池（光伏電池）産量3.4億千瓦，增長46.8%。 2023年一季度，中國太陽能電池出口突破900億元，增長23.6%。

2.13.1 太陽能電池基本組成

太陽能電池的基本結構包括PN結、金屬電極和半導體材料。PN結是太陽能電池的核心部分，由兩種半導體材料構成，其中P型半導體富含空穴，N型半導體則富含自由電子。當兩種半導體材料接觸時，由于電子濃度的差异，電子會從N型區域向P型區域移動，形成一個耗盡層。這個耗盡層中會形成一個電場，使得電子不能在P型區域和N型區域之間自由移動。

太陽能電池中還有兩個金屬電極，一個是P型半導體接觸的金屬電極，另一個是N型半導體接觸的金屬電極。這兩個電極將太陽能電池和外部電路連接起來。

此外，矽太陽能電池的工作原理是半導體的光電效應。在矽晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，矽晶體中就會存在著一個空穴。而摻入磷原子以後，因爲磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成N（negative）型半導體。

2.13.1.1 太陽能電池PN結

太陽能電池中的PN結是太陽能電池的核心部分，它的性能直接影響太陽能電池的轉換效率和穩定性。下面將詳細介紹太陽能電池的PN結結構、特點和工作原理。

太陽能電池的PN結是由P型半導體和N型半導體之間形成的界面。P型半導體中含有大量空穴，而N型半導體中含有大量自由電子。在P型和N型半導體之間會形成一個電勢差，這個電勢差是PN結産生電壓的基礎。

PN結特點：具有高光電轉換效率，可以將太陽能轉換成電能，幷且轉換效率與光照强度和光譜分布有關。PN結的溫度穩定性較好，可以在較寬的溫度範圍內工作。PN結的可靠性强，可以長時間穩定工作。PN結耐候性好，可以在各種氣候條件下工作。

PN結工作原理：當太陽光照射在太陽能電池上時，光子穿過透明導電膜照射在PN結上，光子與半導體材料中的電子相互作用，電子被激發到導帶中，形成自由電子和自由空穴。自由電子和自由空穴分別被N型和P型半導體中的電場分離，形成電勢差。這個電勢差是太陽能電池産生電壓的基礎。

PN結的影響因素：光照强度：光照强度越大，PN結産生的電流和電壓越大。光譜分布：光譜分布對PN結的轉換效率也有影響。在光譜分布不均勻的情况下，PN結的轉換效率會降低。溫度：溫度對PN結的轉換效率也有影響。隨著溫度的升高，PN結的轉換效率會降低。材料質量：材料質量對PN結的轉換效率也有影響。高質量的材料可以獲得更高的轉換效率。

爲了提高太陽能電池的轉換效率和穩定性，人們不斷優化PN結的結構和材料。例如，采用多結太陽能電池、染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池等技術可以提高太陽光的吸收效率和載流子的傳輸效率，從而提高太陽能電池的轉換效率。此外，采用新材料和新技術也可以提高太陽能電池的穩定性和耐候性。

2.13.1.2 太陽能電池金屬電極

2.13.1.3 太陽能電池透明導電膜

2.13.1.4 太陽能電池矽片

2.13.2 太陽能電池工作原理

2.13.3 太陽能電池主要特性

2.13.4 太陽能電池生産工序

2.13.5 太陽能電池性能的影響因素

2.13.5.1 矽片質量對太陽能電池性能的影響

2.13.5.2 矽片厚度對太陽能電池性能的影響

2.13.5.3 光照强度對太陽能電池性能的影響

2.13.5.4 工作溫度對太陽能電池性能的影響

2.13.6 太陽能電池技術指標

2.13.7 太陽能電池使用注意事項

2.13.8 太陽能電池的應用

2.13.9 太陽能電池的發展現狀

2.13.10 太陽能電池的發展前景

2.13.11太陽能電池的發展瓶頸

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