新能源材料與器件導(dǎo)論試卷.doc

1、新能源材料與器件導(dǎo)論試卷1. 可再生能源中生物質(zhì)能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等能量來(lái)自于太陽(yáng)。2. 太陽(yáng)能電池主要分為硅太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池、多元化合物太陽(yáng)能電池、聚合物太陽(yáng)能電池四種。3. 電池按照工作性質(zhì)分類有原電池、蓄電池、貯備電池、燃料電池等四種。4. 半導(dǎo)體發(fā)光材料的主要制備方法有固相合成法、溶膠凝膠法、水熱與溶濟(jì)熱法、微波反應(yīng)法、沉淀法等。5. 吸附法、熔融共混法、封裝法、溶膠凝膠法、壓制燒結(jié)法是定型相變材料的主要制備方法。6. 鋰離子電池正極材料主要有鉆酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、LiMP04、鎳鉆錳等五種。7太陽(yáng)能電池主要由電池片、鋼化玻璃、EVA、背板、鋁合金、接線盒、硅膠等

2、七部分構(gòu)成。8. 燃料電池的催化劑主要有貴金屬、貴金屬合金、過(guò)渡金屬三種。9. 相變儲(chǔ)能材料主要應(yīng)用于太陽(yáng)能、工業(yè)余熱、液化天然氣冷能蓄冷、農(nóng)業(yè)溫室、電力調(diào)峰，建筑節(jié)能等方面。1. 新能源，可再生能源，新材料；新能源又稱非常規(guī)能源。是指?jìng)鹘y(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開(kāi)始開(kāi)發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等?？稍偕茉窗ㄌ?yáng)能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等。它們?cè)谧匀唤缈梢匝h(huán)再生。新材料是指新近發(fā)展的或正在研發(fā)的、性能超群的一些材料，具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異的性能。2電池：電池是指盛有電解質(zhì)溶液和金屬電極以產(chǎn)生電流

3、的杯、槽或其他容器或復(fù)合容器的部分空間，是一種以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)電能的裝置。具有正負(fù)極之分。隨著科技的進(jìn)步，電池泛指能產(chǎn)生電能的小型裝置。3. 燃料電池；燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過(guò)發(fā)生在陽(yáng)極和陰極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。4. P型半導(dǎo)體；P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體即空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。5. 集流體；集流體，顧名思義就是指匯集電流的結(jié)構(gòu)或零件，在鋰離子電池上主要指的是金屬箔，如銅箔、鋁箔。泛指也可以包括極耳。其功用主要是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來(lái)以便形成較大的電流對(duì)外輸出。6. P-N結(jié)；發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型

4、半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為p-n結(jié)。7. 充電效率；電池在一定放電條件下放至某一截止電壓時(shí)放出的容量與輸入的電池容量的比值，它可按照以下公式計(jì)算：充電效率二（放電電流*放電至截止電壓的時(shí)間/充電電流*充電時(shí)間）*100%8. 鋰離子電池；鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。1. 新能源材料的分類有哪些，請(qǐng)分別舉例？（6分）發(fā)電材料:太陽(yáng)能、熱電材料、壓電材料、燃料電池（儲(chǔ)氫材料）等；

5、核能材料：熱核計(jì)劃（ITER），核燃料（釷）、冷卻劑、結(jié)構(gòu)材料、控制材料和屏蔽材料等；儲(chǔ)能材料:鋰離子電池、液態(tài)金屬電池、超級(jí)電容、鋰硫電池、鋰-空氣電池等；節(jié)能材料:建筑節(jié)能材料、保溫保濕材料、電熱膜材料等。2. 太陽(yáng)能電池的原理是什么，請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明？（6分）太陽(yáng)電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。3. 影響鎳氫電池正極材料電化學(xué)性能的主要參數(shù)有哪些？（8分）關(guān)鍵參數(shù)：1.化學(xué)組成；2.顆粒及粒徑分布

6、；3.表面狀態(tài)；4.微晶晶粒尺寸及缺陷。4. 鋰離子電池的主要結(jié)構(gòu)及工作原理是什么？（10分）鋰離子電池的組成主要包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜與外殼材料5個(gè)部分。鋰離子電池的充放電過(guò)程就是Li+在正負(fù)電極材料之間可逆地嵌入與脫嵌的過(guò)程。在充電時(shí)正極材料中的Li+脫離正極，進(jìn)入電解液，通過(guò)隔膜向負(fù)極方向遷移，在負(fù)極上捕獲電子被還原，并存貯在具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨中；放電時(shí)，負(fù)極中的鋰會(huì)失去電子而成為L(zhǎng)i+，進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜向正極方向遷移，并存貯在正極材料中。5. 鋰離子電池負(fù)極材料的要求是什么？（10分） 鋰離子在負(fù)極基體中的插入氧化還原電位盡可能低，接近金屬鋰的電位，使電池的輸出電壓高；2.在

7、基體中大量的鋰可以可逆嵌入和脫嵌以得到高的容量密度；3.在充放電過(guò)程中，電極材料主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，確保良好的循環(huán)性；4.電極材料具有良好的導(dǎo)電性，可減少極化；5電極材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，與電解質(zhì)生成良好的SEI膜，在SEI膜形成后不與電解質(zhì)等發(fā)生反應(yīng)；6鋰離子在電極材料中有較大的擴(kuò)散系數(shù)，便于快速充放電；7價(jià)格便宜，無(wú)污染。 正極材料要求：1金屬離子Mn+在嵌入中應(yīng)有較高的氧化還原電位，從而使電池的輸出電壓較高；2.在化合物L(fēng)ixMyXz中大量的鋰能夠發(fā)生可逆的嵌入和脫嵌，即x值盡可能大；3在嵌入/脫嵌過(guò)程中電極材料主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，確保良好的循環(huán)性能；4電極材料具有良好的導(dǎo)電性，可減少極化；

8、5電極材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；6.鋰離子在電極材料中有較大的擴(kuò)散系數(shù)，便于快速充放電；7價(jià)格便宜，無(wú)污染。6. 在超級(jí)電容器中，活性炭表面官能團(tuán)的作用是什么？（6分）羧基濃度越高，電極材料漏電電流越大，貯存性越差；羧基濃度越高，材料靜態(tài)電位越高，氧析出反應(yīng)可能性越大，電極越不穩(wěn)定?；钚蕴侩姌O材料經(jīng)保護(hù)氣氛下的中溫?zé)崽幚砟軌虿糠窒砻婧豕倌軋F(tuán)，降低表面官能團(tuán)和羧基相對(duì)濃度，從而減少漏電電流，提高電極穩(wěn)定性。7. 相變儲(chǔ)能材料的篩選原則是什么？（10分）1高儲(chǔ)存密度。相變材料應(yīng)具有較高的單位體積，單位質(zhì)量的潛熱和較大的比熱容。2.相變溫度。熔點(diǎn)應(yīng)滿足應(yīng)用要求。3.相變過(guò)程

9、。相變過(guò)程應(yīng)完全可逆并只與溫度相關(guān)。4導(dǎo)熱性。大的導(dǎo)熱系數(shù)，有利于儲(chǔ)熱和提熱。5穩(wěn)定性。反復(fù)相變后，儲(chǔ)熱性能衰減小。6密度。相變材料兩項(xiàng)的密度應(yīng)盡量大，這樣能降低容器成本。7壓力。相變材料工作溫度下對(duì)應(yīng)蒸汽壓力應(yīng)低8化學(xué)性能。應(yīng)具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，無(wú)腐蝕，無(wú)毒無(wú)害，不可燃。9.體積變化。相變時(shí)，體積變化小。10.過(guò)冷度。小過(guò)冷度和高晶體生長(zhǎng)率。8. LED的心臟是什么？說(shuō)明它的組成及發(fā)光原理。（8分）LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，組成：LED芯片、透明環(huán)氧樹(shù)脂封裝、陽(yáng)極桿、楔形支架、具有發(fā)射碗的陰極桿、引線架。原理：LED晶片由兩部分組成，一端是P型半導(dǎo)體，另一端是N型半導(dǎo)體，連接起來(lái)形成一

10、個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED燈發(fā)光的原理。9. 太陽(yáng)能電池材料的一般要求是什么？（6分）太陽(yáng)能電池材料一般的要求有：半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬。要有較高的光點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率。材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染。材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。10. 目前解決鋰離子電池負(fù)極材料粉化的兩種主要方法是什么？（10分）一是采用納米化。納米合金復(fù)合材料在充放電過(guò)程中絕對(duì)體積變化較小，電極結(jié)構(gòu)有較高的穩(wěn)定性。同時(shí)納米材料的比面積很大，且存在大量的晶界，這有利于改善電極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)性能；二是制備活性/非活性復(fù)合合金體系。其中活性物質(zhì)與鋰反應(yīng)，提供電池容量，而惰性基體物質(zhì)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證電池循環(huán)壽命。計(jì)算：已知鋰離子電池正極材料鉆酸鋰的摩爾質(zhì)量為97.8,計(jì)算其的理論質(zhì)量比容量。C0=NA*e*z*m/Mw/t式中CO為活性物質(zhì)的理論容量，NA為阿弗加德羅常數(shù)，e為一個(gè)電荷所帶的電量，z為反應(yīng)得失電子數(shù)，m為活性物質(zhì)的質(zhì)量，Mw為活性物質(zhì)的分子量，t為時(shí)間°lmol正極材料Li+完全脫