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、太陽能、水能等能量來自于太陽。2. 太陽能電池主要分為硅太陽能電池、染料敏化太陽能電池、多元化合物太陽能電池、聚合物太陽能電池四種。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、過渡金屬三種。9. 相變儲能材料主要應(yīng)用于太陽能、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。是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。可再生能源包括太陽能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等。它們在自然界可以循環(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)的通過發(fā)生在陽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)生的電流匯集起來以便形成較大的電流對外輸出。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)體之間有一個過渡層，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間/充電電流*充電時間）*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)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。1. 新能源材料的分類有哪些，請分別舉例？（6分）發(fā)電材料:太陽能、熱電材料、壓電材料、燃料電池（儲氫材料）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；儲能材料:鋰離子電池、液態(tài)金屬電池、超級電容、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. 太陽能電池的原理是什么，請簡要說明？（6分）太陽電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，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個部分。鋰離子電池的充放電過程就是Li+在正負(fù)電極材料之間可逆地嵌入與脫嵌的過程。在充電時正極材料中的Li+脫離正極，進(jìn)入電解液，通過隔膜向負(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，負(fù)極中的鋰會失去電子而成為Li+，進(jìn)入電解液，穿過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價格便宜，無污染。 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/脫嵌過程中電極材料主體結(jié)構(gòu)沒有變化，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價格便宜，無污染。6. 在超級電容器中，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)和羧基相對濃度，從而減少漏電電流，提高電極穩(wěn)定性。7. 相變儲能材料的篩選原則是什么？（10分）1高儲存密度。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.相變過程

9、。相變過程應(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)，有利于儲熱和提熱。5穩(wěn)定性。反復(fù)相變后，儲熱性能衰減小。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，無腐蝕，無毒無害，不可燃。9.體積變化。相變時，體積變化小。10.過冷度。小過冷度和高晶體生長率。8. LED的心臟是什么？說明它的組成及發(fā)光原理。（8分）LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，組成：LED芯片、透明環(huán)氧樹脂封裝、陽極桿、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，連接起來形成一

10、個P-N結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED燈發(fā)光的原理。9. 太陽能電池材料的一般要求是什么？（6分）太陽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)合材料在充放電過程中絕對體積變化較小，電極結(jié)構(gòu)有較高的穩(wěn)定性。同時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為時間°lmol正極材料Li+完全脫