钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（一）

第一章 电池、钨、钼和稀土的基本概念

1.1 蓄电池

电池（Battery）是能够将化学能转化为电能的装置，由正极、负极、电解质和隔膜组成，工作原理基于电化学反应，电池连接到外部电路时，正极和负极之间发生化学反应，释放出电子，形成电流，同时电池内的离子在电解质中移动以维持电荷平衡，将化学能转化为电能。

电池的发展历程可以追溯到18世纪末，伏打发现了第一个化学电池，即伏打电池。近年来，锂离子电池因高能量密度和轻量化成为最常见的电池类型，广泛应用于移动设备和电动汽车等领域。此外，燃料电池、太阳能电池等新型电池技术也在不断涌现。

电池性能通常由电动势（电压）、容量、比能量和电阻等参数描述。它们的应用广泛，包括便携式电子设备、电动汽车、可再生能源存储、航空航天、军事应用等领域。电池作为能量存储和供应的重要装置，在现代社会发挥着关键作用，不断的技术创新将进一步推动电池性能提升和应用领域拓展。

1.1.1 蓄电池基本结构

蓄电池的构造是一个复杂而精密的工程，它包括了多个关键组件，如正极材料、负极材料、隔板/隔膜、电解液、槽壳、连接条、电极桩等，每个组件都在电池的性能和功能中发挥着重要的作用。

其中，槽壳是电池的外壳，通常由金属或塑料制成，作用是容纳电池的所有组件，保护电池内部免受外部环境的影响，并提供机械支撑。连接条是连接电池内部组件的导线或连接器，通过槽壳上的密封来连接到外部电路，使电池能够向外提供电流，电极桩是连接正负极板的导线，通过槽壳上的密封与外部电路连接，其设计和材料选择对电池性能和安全性至关重要。

1.1.1.1 正极材料

电池的正极材料在电池工作中扮演着至关重要的角色，负责接收电子，嵌套或释放正离子，并参与电池的化学反应过程。正极材料的质量直接影响蓄电池的性能，如容量、充电速度、循环寿命和安全性等。另外，正极材料的选择取决于电池类型，例如，锂离子电池的正极材料通常是钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或三元材料，而镍镉电池的正极材料通常是氧化镍。

正极材料的工作原理取决于电池的类型和化学反应。以锂离子电池为例，正极材料通常是一种锂化合物，如钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）等。在充电过程中，锂离子从正极材料中抽出并嵌套到负极材料中。这导致正极材料中的金属离子减少，同时电池电压升高。在放电过程中，锂离子从负极材料迁移到正极材料，还原金属离子，同时电池电压降低。这种锂离子的嵌套和释放过程构成了电池的充放电过程。

1.1.1.2 负极材料

负极，又被称为电池的电势较低一端，是电路中电子流出的一极，是构成电池负极的核心原料，通常在原电池反应方程中位于左侧，负责氧化反应。

在锂离子电池中，负极材料是由负极活性物质（通常是碳材料或非碳材料）、粘合剂以及添加剂混合制成的糊状物质，然后均匀涂抹在铜箔的两侧，最终通过干燥和滚压工艺加工而成。负极材料在锂离子电池中扮演着至关重要的角色，因为它必须能够可逆地嵌入和释放锂离子，这一过程是锂离子电池正常充电和放电的基础。因此，负极材料的性能和制备工艺对于锂离子电池的性能和稳定性具有至关重要的影响。

目前，常见的负极材料包括碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料、合金类负极材料和纳米级负极材料。

1.1.1.3 电解液

电解液，作为锂离子电池中至关重要的组成部分，是一种特殊的液体或固体物质，位于电池的正极材料和负极材料之间，充当了离子的传输通道。其主要作用是促使锂离子在电池的充电和放电过程中在正负极之间流动，从而产生电流和电能。电解液的性能对电池的性能、安全性和稳定性都有着重要影响。

电解液通常由一种或多种盐类溶解在有机溶剂或聚合物中而成。这些盐类通常包含锂盐，如LiPF6、LiBF4、LiClO4等，它们在电池工作时分解成锂离子（Li+）和相应的负离子。有机溶剂或聚合物则用于稀释和承载这些离子，同时提供必要的离子传输通道。

1.1.1.4 隔膜

隔膜，作为锂离子电池中的关键组成部分，是一种薄而微孔的物质，通常由聚合物或纤维材料制成如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酰胺等。隔膜位于电池的正极和负极之间，起着隔离和防止正负极直接接触的重要作用。

隔膜中的微孔允许锂离子在充电和放电过程中自由传输，但同时阻止了电池中的电子流动，从而防止了正负极之间的短路。这种物理隔离是关键，因为正负极直接接触将导致电池的短路，可能引发严重的安全问题。

一般情况下，隔膜应具备以下几个特点：要提供电池正负极之间的物理隔离；高离子传导率；低电子导电性；良好的化学稳定性、耐热性和机械强度等。

1.1.2 蓄电池工作原理

蓄电池，也称为蓄电池电池或化学电池，是一种能将化学能转换为电能并存储起来供以后使用的设备。它的工作原理涉及电化学反应，允许在充电时将电能储存在电池中，然后在需要电能时将其释放出来。以下是蓄电池的工作原理的详细解释：

充电过程：在充电时，外部电源将电流传送到电池中，这使正极发生还原反应，负极发生氧化反应。在这个过程中，正极会吸收电子，负极会释放电子。同时，离子在电解质中移动，经过隔膜，将离子从正极传输到负极。这个过程将化学能转化为电能，储存在电池中。

放电过程：当电池连接到外部电路并提供电流时，储存在电池中的化学能将被释放。这导致正极发生氧化反应，负极发生还原反应。在这个过程中，正极释放电子，负极吸收电子，离子在电解质中移动，经过隔膜，将离子从正极传输到负极。这个过程释放了电子，将储存在电池中的电能转化为电流，供外部电路使用。

1.1.3 蓄电池分类

1.1.3.1 传统电池

1.1.3.2 新能源电池

1.1.3.3 动力电池

1.1.3.4 储能电池

1.1.3.5 圆柱电池

1.1.3.6 方形电池

1.1.3.7 软包电池

1.1.4 新能源电池的发展历程

1.1.5 新能源电池应用领域

1.1.6 新能源电池市场趋势和前景

1.1.6.1 新能源电池行业发展现状

1.1.6.2 新能源电池行业发展前景

1.2 金属钨

钨（Tungsten），化学元素符号为W，原子序数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，钨以主要为六价阳离子的形式存在，其离子半径极小。由于离子半径小、电荷高、极化能力强，钨易于形成络阴离子，如[WO4]2-，并与溶液中的Fe2+、Mn2+、Ca2+等阳离子结合形成黑钨矿或白钨矿的沉淀物。

1.2.1 钨的理化性质

钨是一种高熔点的稀有金属，可以增加钢材的高温硬度。它的外观呈银白色，与钢相似。钨的熔点非常高，蒸气压很低，蒸发速度也相对较慢。钨的化学性质非常稳定，在常温下不会与空气或水发生反应。未受热的情况下，无论盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸还是王水，任何浓度的酸都不会对钨产生明显影响。当温度升至80°C至100°C时，除了氢氟酸外，其他酸对钨也只会产生微弱的反应。

在室温下，钨可以迅速溶解于混合酸中，如氢氟酸和浓硝酸，但不会在碱性溶液中起作用。在存在空气的情况下，熔融碱可以将钨氧化为钨酸盐，而在氧化剂存在的情况下（如NaNO3、NaNO2、KClO3、PbO2），与钨生成钨酸盐的反应更为剧烈。在高温下，钨可以与氧、氟、氯、溴、碘、碳、氮、硫等元素发生化合反应，但不会与氢发生反应。

1.2.2 钨的发展历史

钨的发现可以追溯到1781年，瑞典化学家卡尔·威廉·舍勒首次提取出了钨酸这一新元素。随后，西班牙化学家德普尔亚于1783年发现了黑钨矿，并从中提取出钨酸。同年，首次使用碳还原三氧化钨制得了钨粉，并赋予了这一元素名称。钨在地壳中的含量较低，仅占0.001%。至今已经发现了20种含钨矿物，通常这些矿床伴随着花岗质岩浆活动而形成。

钨在金属切削加工领域发挥着关键作用。虽然早在18世纪50年代，人们就已经发现钨对钢材性质有影响，但钨钢的广泛应用是在19世纪末和20世纪初才开始的。1900年，在巴黎世界博览会上，首次展出了高速钢，标志着钨提取工业迅速发展。这一材料的出现推动了金属切削加工领域的技术进步。

除了在金属材料中的应用，钨还在照明领域发挥着重要作用。在1927-1928年间，以碳化钨为主要成分的硬质合金问世，这一时期标志着钨工业的重要里程碑。这些合金在各个方面的性能都超越了最优质的工具钢，因此在现代技术中得到了广泛应用。

1.2.3 钨的用途

钨是一种银白色且具有高光泽的金属，其硬度和熔点均极高，同时化学性质相对稳定。在常温下，钨不受空气侵蚀，因此被广泛应用于各个领域。其主要用途包括：

电子器件制造：金属钨用作电极、导线和引线材料，特别适用于真空管、半导体器件和电子管等电子器件。它的高熔点和热稳定性使其能够在高温下工作，而且对电子流的控制性能良好。

光学应用：金属钨因其高密度和高熔点而被用于制造高性能光学元件，如X射线窗口、射线屏蔽材料和激光反射镜。它在高功率激光系统中表现出色。

电池电极材料：众多钨化合物凭借着良好的物理化学性质，广泛应用于电池的电极材料中。常见的钨化合物包括纳米钨酸，纳米三氧化钨，针状紫色氧化钨，纳米二氧化钨，铌钨氧化物，氮化钨，硼化钨，二硫化钨纳米片，二硒化钨纳米片，钨酸钠，钨酸锌，钨酸钴等。

电刺激和医疗器械：金属钨用于制造电刺激电极，这在医疗器械中用于神经刺激和治疗。它还用于制造射线治疗装置的过滤器和防护材料。

航空航天工业：金属钨因其高强度和耐高温性能而被广泛用于航空发动机部件、火箭喷嘴和航天器件。它能够在极端的温度和压力条件下保持稳定性。

电弧焊接和切割：金属钨的高熔点和稳定性使其成为电弧焊接电极的理想选择，用于焊接不锈钢、镍合金和其他高温合金。它还用于等离子体切割过程中的电极。

热电偶和温度计：金属钨因其稳定的电阻率随温度变化而著称，因此用于制造高温热电偶和温度计，适用于高温环境的温度测量。

核工业：钨用于核反应堆的控制材料和核反应堆内部构件，因为它能够抵抗高温和辐射。

钨合金：金属钨通常与其他元素合金化，形成钨合金，如钨钼合金、钨铁合金和钨铜合金。这些合金具有不同的性质，可用于各种特定应用，如高温工具、电子器件和航空航天部件制造。

1.3 金属钼

1.3.1 钼的理化性质

1.3.2 钼的发展历史

1.3.3 钼的用途

1.4 稀土元素

1.4.1 稀土用途

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