新能源材料簡(jiǎn)介.-共43頁(yè)課件

1、1新能源材料 New Energy Materials 張景璋材料加工工程2主要分類(lèi)太陽(yáng)能電池材料儲(chǔ)氫材料新型二次電池材料 燃料電池材料核能材料 3能源是人類(lèi)社會(huì)生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是現(xiàn)代文明的三大支柱之一。目前，世界能源消耗還是以煤、石油、天然氣之類(lèi)的礦物能源為主，不但嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，而且礦物能源不可再生，能源枯竭已成為共識(shí)。 煤炭開(kāi)采海上石油開(kāi)采平臺(tái)嚴(yán)重的生態(tài)破壞4生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞：1952年12月，倫敦?zé)熿F；酸雨；河流干涸；56巨大的能源危機(jī)：已開(kāi)采800億噸石油，按現(xiàn)在的開(kāi)采速度， 地球上已探明的1770億噸石油儲(chǔ)量?jī)H夠開(kāi)采50年;已探明的173萬(wàn)億立方米天然氣僅夠開(kāi)采63年；

2、已探明的9827億噸煤炭還可用300年到400 年;已探明的鈾儲(chǔ)量約490萬(wàn)噸，釷儲(chǔ)量約275萬(wàn)噸，全球441座核電站每年消耗6萬(wàn)多噸濃縮鈾，僅夠使用100年左右。 世界各國(guó)水能開(kāi)發(fā)也已近飽和，風(fēng)能、太陽(yáng)能尚無(wú)法滿(mǎn)足人類(lèi)龐大的需求。7我國(guó)作為發(fā)展中大國(guó)，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源結(jié)構(gòu)也不合理。2009年，中國(guó)風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到了25.8億瓦，超過(guò)了德國(guó)的25.77億瓦，僅次于美國(guó)35億瓦；2020年，中國(guó)將投入足以實(shí)現(xiàn)年發(fā)電量150億瓦的風(fēng)力渦輪機(jī)，成為世界最大的風(fēng)能生產(chǎn)國(guó)。盡管在新能源領(lǐng)域有了大規(guī)模的增長(zhǎng)，但風(fēng)力發(fā)電量只占據(jù)中國(guó)電力消耗總量的1% 。8為緩解和解決能源危機(jī)，科學(xué)家提出資源

3、與能源最充分利用技術(shù)和環(huán)境最小負(fù)擔(dān)技術(shù)。新能源與新能源材料是兩大技術(shù)的重要組成部分。新能源的發(fā)展必須靠利用新的原理來(lái)發(fā)展新的能源系統(tǒng)，同時(shí)還必須靠新材料的開(kāi)發(fā)與利用才能使新系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并提高其利用效率，降低成本。 發(fā)展新能源材料是解決能源危機(jī)的根本途徑。9新能源包括太陽(yáng)能生物質(zhì)能核能風(fēng)能地?zé)岷Ｑ竽軞淠芴?yáng)能氫能風(fēng)能潮汐能地?zé)岷四?0新能源材料是指能實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)所需的關(guān)鍵材料，主要包括：硅半導(dǎo)體為代表的太陽(yáng)能電池材料儲(chǔ)氫合金為代表的儲(chǔ)氫材料鋰離子電池為代表的二次電池材料質(zhì)子交換膜電池為代表的燃料電池材料鈾、氘、氚為代表的反應(yīng)堆核能材料-11主要特點(diǎn)新能源材料能把原來(lái)

4、使用的能源轉(zhuǎn)變成新能源；新能源材料可提高貯能效率，有效進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換；新能源材料可以增加能源利用的新途徑。內(nèi)蒙古四王子旗太陽(yáng)能電池光伏電站太陽(yáng)能熱水器12太陽(yáng)能電池材料13太陽(yáng)能在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位地球上一年接受的太陽(yáng)能總量為3.81018kW，遠(yuǎn)大于人類(lèi)對(duì)能源的需求量；分布廣泛，不需要開(kāi)采和運(yùn)輸；不存在枯竭問(wèn)題，可以長(zhǎng)期利用；安全衛(wèi)生，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等。人造衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池14西班牙塞維利亞太陽(yáng)能發(fā)電站歐洲最大的太陽(yáng)能電站，可供18萬(wàn)戶(hù)使用，每年減排60萬(wàn)噸CO2槽式太陽(yáng)能蝶式太陽(yáng)能16通過(guò)光電轉(zhuǎn)化將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能加以利用是太陽(yáng)能利用中最活躍的研究領(lǐng)域。清華大學(xué)電力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

5、太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)綜合利用系統(tǒng)17太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化的核心裝置是太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池的工作原理是光伏效應(yīng)：太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。光伏效應(yīng)示意圖太陽(yáng)能電池P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體19全球最大規(guī)模的光伏太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目鄂爾多斯市政府與美國(guó)first solar公司共建2000兆瓦太陽(yáng)能光伏發(fā)電廠(chǎng)20世博中國(guó)館、主題館，世博中心、演藝中心等永久建筑的屋頂和玻璃幕墻上安裝總裝機(jī)容量超過(guò)4.68兆瓦的太陽(yáng)能電池，每年能減排二氧化碳4000噸。主題館屋面太陽(yáng)能板面積達(dá)3萬(wàn)多平方

6、米，是目前世界最大的單體面積太陽(yáng)能屋面，年發(fā)電量280萬(wàn)度，每年減排二氧化碳2800噸，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1000多噸。 世博中國(guó)館世博主題館212019年5月，世界首架無(wú)污染太陽(yáng)能飛機(jī)進(jìn)行跨國(guó)飛行(從瑞士飛抵布魯塞爾需13小時(shí))，飛行高度可達(dá)8700米，平均飛行速度為70-120公里/小時(shí)。用超輕碳纖維材料制成，總重1.6噸，由4臺(tái)小型電力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)翼配備1.2萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)能電池板，翼展長(zhǎng)度大約64米。 22晶體硅太陽(yáng)能電池晶體硅太陽(yáng)電池是以硅半導(dǎo)體材料制成的大面積pn結(jié)，在p型硅片上制作很薄的摻雜n型層，在n型層上制作金屬柵線(xiàn)作為正面接觸電極，在背面制作金屬膜作為背面接觸電極。晶體硅太陽(yáng)電池具有性

7、能穩(wěn)定、資源豐富、無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品。單晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池23非晶硅太陽(yáng)電池非晶硅太陽(yáng)電池是以非晶硅為基體的薄膜太陽(yáng)電池，電池效率已達(dá)到13；世界總組件生產(chǎn)能力達(dá)到每年50MW，應(yīng)用規(guī)模從手表、計(jì)算機(jī)等消費(fèi)品用電源發(fā)展到兆瓦級(jí)的獨(dú)立電站。非晶硅太陽(yáng)能電池24化合物太陽(yáng)能電池化合物太陽(yáng)電池所用材料包括II-VI族化合物和III-V族化合物。II-VI族化合物包括CdTe和CdS等，制成的薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率高、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)。III-V族化合物包括GaAs和InP等，可制成薄膜太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性能好，是較理想的空間太陽(yáng)電池。太空站上的GaAs太陽(yáng)

8、電池高原用的GdTe太陽(yáng)電池25納米太陽(yáng)電池納米太陽(yáng)電池(簡(jiǎn)稱(chēng)NPC電池)是一種由鍍有透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電玻璃、多孔納米TiO2、染料光敏化劑、固體電解質(zhì)膜以及鉑電極組成的一種光電化學(xué)式電池。納米太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)26中國(guó)尚德電力和澳大利亞斯威本科技大學(xué)已研制出最高效的寬波段納米薄膜太陽(yáng)電池，光電轉(zhuǎn)化效率為8.1%。為捕獲更多太陽(yáng)光，將金/銀納米粒子嵌入薄膜中，增加電池可吸收太陽(yáng)光的波長(zhǎng)范圍，提高光子轉(zhuǎn)化電子效率；進(jìn)一步使用有核的或表面凹凸不平的納米粒子，大幅提高薄膜的比表面積。Xi Chen, Baohua Jia, et al, Broadband Enhancement in Thin-Film

9、 Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles, nano letters, /10.1021/nl203463z| Nano Lett27儲(chǔ)氫材料 28氫能是人類(lèi)未來(lái)的理想能源。氫能熱值高，如燃燒1kg氫可發(fā)熱1.4105kJ，相當(dāng)于3kg汽油或4.5kg焦炭的發(fā)熱量；資源豐富，地球表面有豐富的水資源，水中含氫量達(dá)到11.1；干凈、清潔，燃燒后生成水，不產(chǎn)生二次污染；應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，可作為燃料電池發(fā)電，也可用于氫能汽車(chē)、化學(xué)熱泵等。氫能的開(kāi)發(fā)利用已成為世界特別關(guān)注的科技領(lǐng)域。

10、29氫能利用關(guān)鍵是高密度安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)。氫密度很小，單位重量體積很大。目前市售氫氣一般是在150個(gè)大氣壓下儲(chǔ)存在鋼瓶?jī)?nèi)，氫氣重量不到鋼瓶重量的1/100，且有爆炸危險(xiǎn)，很不方便。為解決氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問(wèn)題，人們研發(fā)了相應(yīng)的儲(chǔ)氫材料，主要包括活性炭、無(wú)機(jī)化合物、有機(jī)化合物以及合金化合物四大類(lèi)儲(chǔ)氫材料。常用高壓氫氣瓶30活性炭?jī)?chǔ)氫活性炭比表面積可達(dá)2000m2/g以上，低溫加壓可吸附儲(chǔ)氫。活性炭原料易得，吸附儲(chǔ)氫和放氫操作都比較簡(jiǎn)單。富勒烯(C60)和碳納米管(CNT)對(duì)氫氣具有較強(qiáng)的吸附作用。單層碳納米管的吸氫量比活性炭高，H2的吸附量可達(dá)5-10(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，有望成為新一代儲(chǔ)氫材料。富勒烯C

11、60碳納迷管31合金化合物儲(chǔ)氫在一定溫度和氫氣壓力下能多次吸收、儲(chǔ)存和釋放氫氣的合金被稱(chēng)為儲(chǔ)氫合金。氫原子容易進(jìn)入金屬晶格的四面體或八面體間隙，形成金屬氫化物，如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。氫原子在合金化合物中的占位：(a)四面體；(b)八面體ab32儲(chǔ)氫合金可儲(chǔ)存比其體積大1000-1300倍的氫，而且合金中存儲(chǔ)的氫結(jié)合力較弱，當(dāng)金屬氫化物受熱時(shí)又可釋放氫氣。儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫量比較33儲(chǔ)氫合金材料達(dá)到實(shí)用目的，必須滿(mǎn)足下列要求：儲(chǔ)氫量大，能量密度高；吸氫和放氫速度快；氫化物生成熱小； 分解壓適中：容易活化；化學(xué)穩(wěn)定性好；在儲(chǔ)運(yùn)

12、中安全、無(wú)害；原料來(lái)源廣、成本價(jià)廉。34新型二次電池材料35一次電池使用后常隨普通垃圾一起被丟棄或掩埋，造成資源浪費(fèi)，同時(shí)電池中的重金屬元素泄露也會(huì)污染地下水和土壤。二次電池或蓄電池：放電時(shí)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，充電時(shí)則使體系回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，將電能以化學(xué)能形式重新儲(chǔ)存起來(lái)。鎳氫充電電池Li離子充電電池36傳統(tǒng)二次電池如鉛酸電池和鎘鎳電池理論比能量低，且鉛和鎘都是有毒金屬，對(duì)環(huán)境污染極大。目前應(yīng)用較廣的是鎳氫電池(表示為Ni/MH電池)和鋰離子電池(表示為L(zhǎng)IB電池)，不但性能優(yōu)良，而且污染較小，被稱(chēng)為綠色電池。鉛酸蓄電池NiCd充電電池37Ni/MH鎳氫二次電池Ni/MH電池的正極材料采用Ni

13、(OH)2，負(fù)極材料為儲(chǔ)氫合金，電解質(zhì)為KOH水溶液。與Ni/Cd電池相比，Ni/MH電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：能量密度是Ni/Cd電池的1.5-2倍；充放電速率高；耐過(guò)充和過(guò)放性能好；使用壽命長(zhǎng)；低溫性能好；無(wú)Cd元素對(duì)環(huán)境的污染。 Ni/MH二次電池38Ni/MH電池開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是大功率、高容量方向。國(guó)際上主要汽車(chē)公司如GM、Ford和Toyota等相繼開(kāi)發(fā)出Ni/MH電動(dòng)汽車(chē)和混合電動(dòng)汽車(chē)，GM公司生產(chǎn)的Ni/MH電池動(dòng)力車(chē)，單次充電后可行駛225km，時(shí)速為150公里。GM生產(chǎn)的EVI汽車(chē)，用26個(gè)12V的電池，3小時(shí)充電后時(shí)速可達(dá)到150公里39LIB鋰離子二次電池Li是最輕的金屬元素，它的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-3.045V，是金屬中負(fù)電位最大的元素，因此Li負(fù)極電池的開(kāi)發(fā)受到極大重視，與Ni/MH電池性能的比較如下。普通Ni/MH，LIB及Ni/Cd電池性能比較技術(shù)參數(shù)Ni/CdNi/MHLIB工作電壓/V質(zhì)量比能量/(