摘要:本文介紹了近年來，清華大學核能技術設計研究院在鎳氫（MH/Ni）電池﹑鋰離子電池和質子交換膜燃料電池等動力電池研究方面的進展。

一．鎳氫（MH/Ni）電池

我國鎳氫（MH/Ni）電池產業正處于迅速發展的階段，已經建成投產的生產線已經有一百多條。其中儲氫材料和負極產品已經達到了日本的水平，但是，但是電池產品的質量水平與國外仍有一定差距，其中，正極和正極材料氫氧化鎳起著關鍵性的作用。

清華大學核能技術設計研究院於1994年5月開始了球形氫氧化亞鎳的研制與開發。在不到一年半的時間里，對控制結晶法制備球形Ni(OH)2的工藝條件進行了系統的研究，并完成了放大實驗。中試產品送北京有色金屬研究總院等單位進行了測定及試用。在1995年11月通過國家教委主持的技術鑒定會

從1995年8月起，我們以技術轉讓的方式與河北任遠團體公司開展技術合作，設計和建設年產100-150噸球形Ni(OH)2的生產廠。該廠于1996年4月18日建成，一次試車成功。產品比容量已經達到290mAh/g，這一數值已經超過了Ni(OH)2的理論容量。年產800噸球形Ni(OH)2的二期工程被國家經貿委列為大型產業性試驗項目，也于1997年底正式投產。

該項研究已經列進了國家863高技術發展計劃。研究成果獲國家教委科技發明三等獎一次，河北省科技進步二等獎一次。

為了和國際上的技術發展保持同步，我們及時開展了對新一代高密度、高活性球形氫氧化鎳的研制與開發工作。其中球形氫氧化鎳的表面覆鈷技術已經獲得成功，計劃于今年實現產業化。

二．鋰離子電池

清華大學核能技術設計研究院對鋰離子電池及其相關材料的研究于1996年正式啟動，研究的重點放在降低原材料的本錢﹑同時保證性能指標的先進性。

1.替換LiCoO2的正極材料

目前國際市場上所銷售的鋰離子電池產品基本上全是以LiCoO2為正極材料。相比之下，LiNiO2的原料本錢只有它的1/3，性能卻不比它差多少，題目是在合成LiNiO4時有一部分Li的位置為Ni所取代，致使這種正極材料的性能下降或不穩定。在大力改進LiNiO2材料性能的同時，LiXMn2O4體系的正極材料的開發也十分有意義，其次是近來提出的Li/V2O5體系，有可能使正極材料在性能上出現新的奔騰。

在實驗室以b-Ni(OH)2為先驅體用固相反應法合成的LiNi0。8Co0。2O2產品的電活性已經達到170mAh/g以上，用溶膠－凝膠法制備的LiXMn2O4產品的電活性也已經達到120mAh/g以上。這些性能指標已經進進國際先進水平的行列。尤其是LiNiO2類產品，電活性的實驗值曾經達到250mAh/g以上，而國際上同類產品的性能指標至今尚未超過200mAh/g。

2．高體積容量的負極材料

為了確保電池的安全性，二次電池一般不再采用金屬鋰或鋰合金作為負極材料。現在國際市場上的鋰離子二次電池所采用的負極材料一般為石墨，或改性石墨。但目前國內尚無此類產品。負極材料也可能采用某些金屬的氧化物來取代。如日本的富士公司聲稱，他們以SnO為主要負極材料的鋰離子電池也即將走向市場，它可能使電池的容量進一步進步。

我們的研究重心放在了自然石墨的改性和復合型負極材料的開發方面。在實驗室經部分氧化或部分氯化后的自然石墨的電活性已經達到了340mAh/g以上，這一指標也已進進國際先進水平的行列。尤其是經過進一步摻雜以后，電活性達到了500mAh/g以上，超過了日本在“新陽光計劃”中所規定的400mAh/g指標。

3．非水電解質

現在的商品鋰離子電池中一般采用LiPF6溶解在碳酸亞乙脂（EC）和碳酸二乙脂（DEC）的混合溶劑中，形成一種液態的非水電解質。也有用碳酸二甲酯（DMC）替換DEC的，二者均為強極性有機溶劑，后者沸點略低。鋰離子電池對非水電解質中的水分含量要求極嚴，必須嚴格控制在30ppm以下。另外還有一條路線，就是用離子型導電高分子材料來替換這種非水液態電解質。國際上這類研究工作已經取得了相當的進展，其電導率已經達到了10-3scm-1量級，但要達到實用水平尚需作進一步努力。

從表中可見，如能進步清華大學核研院的PEMFC電堆的電流密度，減薄端版厚度，則其性能可與美國H-Power公司相當。目前，改進工作仍在進行中。

清華大學核研院小型PEMFC的特點是：

使用自行研制的電催化劑，大幅度地降低了本錢。

使用自行研制的薄金屬雙極板，大大減輕了電堆重量。

國家“九五”攻關燃料電池項目中的催化劑子課題。

清華大學還在研制Pt/C及抗CO多元催化劑，這是國家“九五”攻關燃料電池項目中的催化劑子課題。經過9個月的努力，清華大學已研制出Pt/C催化劑。其性能與美國E-Tech公司同類產品的比較見下圖。圖中可見：在常用的電壓范圍0.6-0.8伏，其性能已經超過美國E-Tech公司同類產品。目前，正采取新的措施爭取進一步進步清華大學的產品性能?？笴O多元催化劑的研制工作正在進行中。

PEMFC的穩定運行的研究

PEMFC電堆的穩定運行的重要性是顯而易見的，我們發現對PEMFC電堆施加反向電壓可進步PEMFC運行穩定性的新的更實用的方法。到目前為止，該方法尚未見文獻報道。在1999年第四屆中國-國際電池大會上，首次發表了我們的實驗結果后，引起與會者的極大愛好。該方法的工程應用還需進一步研究。

綜上所述，清華大學已經具備了大規模開發PEMFC的上風條件。

我們采用了鋰化分子篩對非水電解質進行了除水處理，將其中的殘存水分含量降到了20ppm以下，完全可以滿足鋰離子電池的要求。對聚合物固態電解質的研究與開發工作也在緊張進行之中。

４．電池工藝

由于鋰離子電池只能采用非水電解質，電池中不能有水分和氧化劑，這就要求組裝工作必須在特定的氣氛下進行。實驗室所用的組裝機具全部外購，將研究重點放在了組裝氣氛的控制方面。同時，在氣體凈化和扣式實驗電池的組裝方面均積累了一定的經驗，為發展鋰離子電池的組裝工藝打下了良好的基礎。

三．燃料電池

清華大學核研院質子交換膜燃料電池（PEMFC）電堆

核研院已制成一套200W的PEMFC電堆，輸出電壓為6.3V，電流達30A。目前一種更小的PEMFC電堆已經研制成功。其輸出功率分別為10和20瓦。其參數見下表。

從表中可見，如能進步清華大學核研院的PEMFC電堆的電流密度，減薄端版厚度，則其性能可與美國H-Power公司相當。目前，改進工作仍在進行中。

清華大學核研院小型PEMFC的特點是：

使用自行研制的電催化劑，大幅度地降低了本錢。

使用自行研制的薄金屬雙極板，大大減輕了電堆重量。

國家“九五”攻關燃料電池項目中的催化劑子課題。

清華大學還在研制Pt/C及抗CO多元催化劑，這是國家“九五”攻關燃料電池項目中的催化劑子課題。經過9個月的努力，清華大學已研制出Pt/C催化劑。其性能與美國E-Tech公司同類產品的比較見下圖。圖中可見：在常用的電壓范圍0.6-0.8伏，其性能已經超過美國E-Tech公司同類產品。目前，正采取新的措施爭取進一步進步清華大學的產品性能?？笴O多元催化劑的研制工作正在進行中。

PEMFC的穩定運行的研究

PEMFC電堆的穩定運行的重要性是顯而易見的，我們發現對PEMFC電堆施加反向電壓可進步PEMFC運行穩定性的新的更實用的方法。到目前為止，該方法尚未見文獻報道。在1999年第四屆中國-國際電池大會上，首次發表了我們的實驗結果后，引起與會者的極大愛好。該方法的工程應用還需進一步研究。

綜上所述，清華大學已經具備了大規模開發PEMFC的上風條件。(end)