化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用

1、 一次電池可充電電池（二次電池） 燃料電池（激活電池） “化學(xué)能 電”轉(zhuǎn)換材料 （各類化學(xué)電池）“光 電”轉(zhuǎn)換材料“熱 電”轉(zhuǎn)換材料化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 “化學(xué)能 電”轉(zhuǎn)換材料，也叫做“化學(xué)電源”或“電池”是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。放電時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，充電時(shí),電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，一次電池的反應(yīng)不可逆的，二次電池的反應(yīng)是可逆的。1 “化學(xué)能 電”轉(zhuǎn)換材料（化學(xué)電源）化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 化學(xué)電源（電池）主要是由電極（包括電極粘結(jié)劑）、電解質(zhì)、隔膜以及外殼（包括電池封口劑）所組成。 電極是電池的核心部分，它是由活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨架所組成?；钚晕镔|(zhì)是指正、負(fù)極中參加成

2、流反應(yīng)的物質(zhì)，是決定化學(xué)電源基本特性的重要部分。 電解質(zhì)在電池內(nèi)部正、負(fù)極之間擔(dān)負(fù)著傳遞電荷的作用，要求比電導(dǎo)高，電壓降要小。電解質(zhì)有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)之分。 1.1 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 隔膜的作用是防止正、負(fù)極活性物質(zhì)的直接接觸，防止電池內(nèi)部的短路。隔膜的形狀薄膜、板材、棒材等。 外殼是電池的容器，在化學(xué)電源（電池）中，除了鋅錳干電池是以鋅電池（負(fù)極）兼作外殼以外，其它電池都有獨(dú)立的外科，外殼要求機(jī)械強(qiáng)度高、耐針對(duì)、耐沖擊、耐腐蝕、耐溫度的變化?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 電極是電池的核心。一般電極都是由三部分組成，一是參加成流反應(yīng)的活性物質(zhì)；二是為

3、改善性能而加入的導(dǎo)電劑；三是少量的添加劑，如緩沖劑等。1.1.1 電極類型及結(jié)構(gòu) 化學(xué)電源常用的電極有片狀、粉末多孔狀和氣體擴(kuò)散電極等幾種。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 片狀電極是由金屬片或板直接制成，鋅-錳干電池以鋅片沖成圓筒作負(fù)極，鋰電池的負(fù)極用鋰片。 粉末多孔電極的應(yīng)用極廣，因?yàn)殡姌O呈現(xiàn)多孔狀時(shí)，其直接表面積大，電化學(xué)極化和濃差極化小，不易鈍化。電極反應(yīng)在固液界面上進(jìn)行，充、放電過程中生成的枝晶少，可以防止電極間的短路。 氣體擴(kuò)散電極是粉末多孔電極在氣體電極中的應(yīng)用。電極的活性物質(zhì)是氣體。氣體電極反應(yīng)在電極微孔內(nèi)表面形成的氣液固三相界面上進(jìn)行。目前工業(yè)上已經(jīng)得到應(yīng)用的氣體擴(kuò)散電極

4、是氫電極和氧電極。典型的電極結(jié)構(gòu)有：雙層多孔電極（培根型電極）、防水型電極、隔膜型電極等。化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用1.1.1.2 電極粘結(jié)劑 電極常用的粘結(jié)劑一般都是高分子化合物，如聚乙烯醇（PVA），聚四氟乙烯（PTFE），羧甲基纖維素（CMC）等。1.1.1.2 化學(xué)電源用隔膜 化學(xué)電源用的隔膜材料有天然或合成的高分子材料，無機(jī)材料等。根據(jù)原料特點(diǎn)和加工方法不同，可將隔膜分成有機(jī)材料隔膜，編織隔膜，氈狀膜，隔膜紙和陶瓷隔膜等。1.1.1.3 封口劑 電池封口劑有環(huán)氧樹脂，瀝青，松香等。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用1.1.5 電池組（電池堆） 當(dāng)需要電池輸出高電壓或大電流時(shí)

5、，可以將若干個(gè)電池通過串聯(lián)、并聯(lián)、復(fù)聯(lián)的方式組成電池組（電池堆）來使用?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 一次電池又稱為原電池，如果原電池中電解不流動(dòng)，則成為干電池，由于電池反應(yīng)本身不可逆，或可逆反應(yīng)很難進(jìn)行，所以一次電池放電后不能充電再用。 二次電池，習(xí)慣上又稱為可充電電池或蓄電池，它是充、放電過程能夠反復(fù)多次循環(huán)使用的一類電池。 燃料電池又稱連續(xù)電池，它是將活性物質(zhì)（燃料）連續(xù)注入電池，使其連續(xù)放電的一種電池。 儲(chǔ)備電池又稱為激活電池，這類電池的正負(fù)極活性物質(zhì)在儲(chǔ)存期不直接接觸，使用前臨時(shí)注入電解液或用其它方法使電池激活。 1.2 化學(xué)電源的分類化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 我們將

6、學(xué)習(xí)幾種有代表性的電池材料。 關(guān)于一次電池涉及到鋅-錳干電池、堿性鋅-錳電池、鋅-汞電池、鎘-汞電池、鋅-銀電池、堿性鋅-空氣電池、鋰電池、鋰離子電池、一些固體電解質(zhì)電池（銀-碘電池）。 關(guān)于二次電池涉及到鉛酸蓄電池、鎘 - 錳電池、氫-鎳電池、金屬氫化物-鎳電池（MH-Ni電池）、固體電解質(zhì)電池（鈉-硫電池）、鋰電池、鋰離子電池、一些固體電解質(zhì)電池。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 關(guān)于燃料電池涉及到堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇（DMFC）燃料電池。 關(guān)于儲(chǔ)備電

7、池涉及到熱激活電池、水激活電池。具體有鋅-銀電池、鎂-銀電池、鉛-高氯酸電池等?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 1.3 化學(xué)電源的應(yīng)用 化學(xué)電源具有能量轉(zhuǎn)化效率高、方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，所化學(xué)電源被廣泛地用于工業(yè)、軍事及日常生活之中。 一次電池常用于低功率和中等功率的放電.這種電池外形多為圓柱形、鈕扣式、扁形，常以單體或電池組的形式用于各種便攜式電器和電子設(shè)備。圓柱形電池廣泛用于照明、信號(hào)、報(bào)警裝置、收音機(jī)、收錄機(jī)、計(jì)算器、電動(dòng)剃須刀、吸塵器等家庭生活用品上；鈕扣式電池用于手表、計(jì)算器、電子詞典等物品；薄形電池用作CMOS電路記憶儲(chǔ)存電源等。此外，一次電池還廣泛用于軍事便攜通訊、雷達(dá)、氣象

8、和導(dǎo)航儀等。化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 二次電池及其電池組常用于較大功率放電，汽車啟動(dòng)、照明、點(diǎn)火、應(yīng)急電源人造衛(wèi)星、宇宙飛船。此外，二次電池組在電動(dòng)車輛動(dòng)力方面也顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。 燃料電池適合于長時(shí)間連續(xù)工作的場合，可以用于電動(dòng)車輛的動(dòng)力，也可以作為發(fā)電廠的發(fā)電裝置，據(jù)介紹，美國的NASA曾經(jīng)成功地將燃料電池應(yīng)用于阿波羅飛船的登月飛行和載人航天器中。 儲(chǔ)備電池可用作導(dǎo)彈的電源、心臟起搏器的電源等?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用1.4 各類電池的簡介1.4.1 一次電池 在化學(xué)電源中，一次電池的歷史最為悠久，產(chǎn)量最大，應(yīng)用最為廣泛。這種電池不能用簡單的方法再生，不能充電，用

9、后要廢棄。 典型的一次電池有鋅-錳電池包括傳統(tǒng)的勒克郎謝電池、紙板電池、堿性鋅-錳電池、無汞鋅-錳電池，鋅-氧化汞電池、鋅-空氣電池?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用1.4.2 二次電池 二次電池以鉛酸蓄電池 、鎘-鎳電池、氫-鎳電池 為其典型代表，此外固體電解質(zhì)電池、鋰電池、鋰離子電池是非常有前途的三類二次電池，尤其是鋰電池、鋰離子電池既可以作為一次電池，也可以作為二次電池，最有發(fā)展前途?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用1.4.3 激活電池 又稱“貯備電池”，電池正負(fù)極活性物質(zhì)和電解質(zhì)在貯存期間不直接接觸。激活電池在使用前處于惰性狀態(tài)，使用時(shí)借助動(dòng)力源作用于電解質(zhì)，使電池激活，激活方式有

10、氣體激活，液體激活和熱激活，一般來說，激活電池能夠貯存幾年甚至十幾年?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 1.4.4 燃料電池 在上一次課中，我們講了能源材料之一 原電池的情況，今天我們介紹燃料電池、光電轉(zhuǎn)換、熱電轉(zhuǎn)換材料的情況。 原電池和燃料電池都屬于電池，但是實(shí)際上它們具有很大的區(qū)別：原電池是能量儲(chǔ)存裝置，而燃料電池則是能量轉(zhuǎn)換裝置，它需要不斷地通入燃料（在陽極，即負(fù)極）和氧化劑（在陰極，即正極），將氧化反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，燃料電池所用的氧化劑一般為氧氣或空氣。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 我們知道，原電池所能夠發(fā)出的最大電能是參入電化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)完全反應(yīng)時(shí)所

11、產(chǎn)生的電能，當(dāng)全部的反應(yīng)物質(zhì)消耗完畢以后，原電池就不再發(fā)電了。 但是對(duì)于燃料電池來講，如果不考慮元件的老化和故障等因素（燃料電池有一定的壽命），只要不斷地向燃料電池提供燃料和氧化劑，燃料電池就能夠連續(xù)不斷地發(fā)出電力。 燃料電池的種類很多，關(guān)于燃料電池的分類也有很多種： 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 其基本分類有兩種：直接燃料電池和非直接燃料電池。 直接燃料電池是直接利用通入的燃料來發(fā)電。直接燃料電池也有直接型（一次電池，反應(yīng)產(chǎn)物被排放掉）和再生型（二次電池，利用熱再生、充電再生、光化學(xué)再生、放射化學(xué)再生的方法將反應(yīng)產(chǎn)物再生為反應(yīng)物）。 非直接燃料電池是指所通入的燃料并不被燃料電池直接使用

12、，需要進(jìn)一步加工處理，其產(chǎn)物才能夠被燃料電池所使用。它也有兩種類型；一種是“重整型”燃料電池，是指對(duì)有機(jī)燃料加工使其轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃猓蟊蝗剂想姵刂苯邮褂?；另一種是“生化型”燃料電池，生化物質(zhì)在一些酶的作用下轉(zhuǎn)換為氫氣，而后被燃料電池直接使用。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 燃料電池按照工作溫度的高低可以分為低溫燃料電池包括氫 - 氧、有機(jī)物 - 氧、氮化物（氨、肼等）- 氧、金屬 - 氧、氫 -鹵素、金屬 - 鹵素等型式的燃料電池、中溫燃料電池（包括氫 - 氧、有機(jī)物 - 氧、氨 - 氧）、高溫燃料電池（包括氫 - 氧、CO - 氧）、超高溫燃料電池。它們所對(duì)應(yīng)的工作溫度范圍分別為25 1

13、00；100 500；500 1000和1000以上。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 按照電解質(zhì)的不同，燃料電池又可以分為五大類：堿性燃料電池（簡稱AFC，Alkaline Fuel Cell）、磷酸燃料電池（簡稱PAFC，Phosphorous Acid Fuel Cell）、熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC，Molten Carbonate Fuel Cell）、固體氧化物燃料電池（簡稱SOFC，Solid Oxide Fuel Cell）、質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC，Proton Exchange membrane Fuel Cell）。另外，關(guān)于直接甲醇燃料電池（簡稱DM

14、FC，Direct Methanol Fuel Cell）由于它所使用的電解質(zhì)是質(zhì)子交換膜，所以人們一般將它歸類為質(zhì)子交換膜燃料電池。下表是這五大類燃料電池的主要特性與用途。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用電池類型_簡稱 AFC PAFC MCFC SOFC PEMFC 電解質(zhì) KOH 磷酸 Li2CO3-K2CO3 YSZ PEM電解質(zhì)形態(tài) 液體 液體 液體 固體 固體陽極 Pt/Ni Pt/C Ni/Al，Ni/Cr Ni/YSZ Pt/C陰極 Pt/Ag Pt/C Li/NiO Sr/LaMnO3 Pt/C 工作溫度， 50 200 60 80 150 220 650 900 105

15、0 應(yīng)用 航空、航天， 共發(fā)電，機(jī)動(dòng)車， 共發(fā)電 共發(fā)電 共發(fā)電，機(jī)動(dòng)車領(lǐng)域 機(jī)動(dòng)車 輕便電源 便攜式電源 注： YSZ是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯； PEM是質(zhì)子交換膜的簡稱，目前常用的有美國杜邦（Du Pont）公司的Nafion膜和道爾（Dow）公司的Dow膜。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 單個(gè)燃料電池的工作電壓大約，為了獲得實(shí)際需要的電壓，需將幾個(gè)、幾十個(gè)甚至幾百個(gè)燃料電池連接起來，組成所謂的電池堆。在電池堆中，兩個(gè)相鄰的燃料電池通過一個(gè)雙極板。雙極板的一側(cè)與前一個(gè)燃料電池的陽極相連，另一側(cè)與后一個(gè)燃料電池的陰極相連。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是： 具有高效率、

16、高可靠性、良好的環(huán)境效益、良好的操作性能、發(fā)電計(jì)劃和容量調(diào)節(jié)的靈活性。燃料電池還存在的問題和制約發(fā)展的因素： 市場價(jià)格昂貴； 高溫時(shí)壽命以及穩(wěn)定性不夠理想； 燃料電池技術(shù)不夠普及； 沒有完善的燃料供應(yīng)體系?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用2 太陽能電池 （光-電轉(zhuǎn)換材料） 太陽能電池是利用太陽光與材料相互作用直接產(chǎn)生電能的。太陽電池發(fā)電是基于光伏效應(yīng)（或稱作“光生伏打效應(yīng)”或“光電效應(yīng)”，Photovoltaic Effect）。具體來說，就由太陽光的光量子與材料相互作用能夠產(chǎn)生光生載流子。當(dāng)將所產(chǎn)生的電子 空位對(duì)依靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢(shì)壘分開而到達(dá)兩極時(shí)，兩極之間就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，這就是光伏效應(yīng)

17、。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用太陽能電池材料： 目前，用來產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料只有半導(dǎo)體材料。制作太陽電池的半導(dǎo)體材料有元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和各種固溶體。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 實(shí)際上，在半導(dǎo)體中可利用各種勢(shì)壘（如pn結(jié)等）來形成光伏效應(yīng)。P型半導(dǎo)體為空位導(dǎo)電，n型半導(dǎo)體為電子導(dǎo)電。 無光照時(shí)，在擴(kuò)散作用下，n區(qū)的過剩自由電子向p區(qū)擴(kuò)散，使其帶負(fù)電，p區(qū)的過?？瘴幌騨區(qū)擴(kuò)散，使其帶正電，pn結(jié)兩邊形成電位差，即內(nèi)建電場 勢(shì)壘電場，內(nèi)建電場阻止載流子通過pn結(jié)進(jìn)一步擴(kuò)散，從而造成平衡狀態(tài)。 在光照下，大于一定能量的光子，在p區(qū)和n區(qū)會(huì)激發(fā)產(chǎn)生光生載流子，即電子和空位對(duì)。它

18、們擴(kuò)散到pn結(jié)附近時(shí)受到內(nèi)建電場作用，電子驅(qū)向n區(qū)，空穴驅(qū)向p區(qū)，使得n區(qū)有過剩的電子，p區(qū)有過剩的空位。這樣，pn結(jié)附近又形成一個(gè)與內(nèi)建電場方向相反的電場 光生電場，即p區(qū)和n區(qū)之間產(chǎn)生光生伏特電動(dòng)勢(shì)，從而形成光伏效應(yīng)?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 目前最有希望大量應(yīng)用的是硅太陽電池，單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率高，但材料價(jià)格較貴。多晶硅太陽電池效應(yīng)達(dá)到13%，半導(dǎo)體GaAs的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20% 28%，太陽電池的轉(zhuǎn)換效應(yīng)與結(jié)構(gòu)有關(guān)。 除此以外，還有一些固溶體，主要有GaAlAs、GaInP、InGaAs、CuInGaSe2、SiGe、SiC等，這些固溶體的物理性能隨固溶體的組成比例而

19、變化。因此可以利用這一特點(diǎn)調(diào)整參數(shù)，以滿足太陽能電池的要求?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用3 熱 - 電轉(zhuǎn)換材料 1882年，德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)溫差電現(xiàn)象(thermoelectric phenomena),后被稱為塞貝克效應(yīng)。后來，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了珀耳帖效應(yīng)和湯姆孫效應(yīng)。這三種溫差電效應(yīng)是相互關(guān)聯(lián)的?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 從19世紀(jì)以后，利用塞貝克效應(yīng)的溫差電偶(也稱為熱電偶)( thermoelectric couple)已被廣泛用于溫度的測試和溫度傳感器。另外，利用塞貝克效應(yīng)還可以制作溫差發(fā)電機(jī)，利用珀耳帖效應(yīng)可以制作溫差電制冷器(thermoelectric

20、 cooling device)。 當(dāng)然，采用金屬材料制作的溫差發(fā)電機(jī)和溫差電制冷器的性能很差，難于實(shí)際應(yīng)用。后來，到了20世紀(jì)50年代，隨著半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展，半導(dǎo)體溫差制冷器的性能得到顯著改善，并被廣泛應(yīng)用。因?yàn)橛袑?shí)用意義的溫差電制冷，都是用半導(dǎo)體材料制作的，所以習(xí)慣上把溫差電制冷器稱為半導(dǎo)體制冷器?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 （1）塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）是指把兩種不同的金屬a、b連接成閉合回路，當(dāng)其兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就有電流流過，產(chǎn)生這溫差電流的電動(dòng)勢(shì)就稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度差T很小時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)V正比于T，比例常數(shù)就稱為塞貝克系數(shù)（Se

21、ebeck coefficient）或溫差電動(dòng)勢(shì)率（thermoelectric power）ab 3.1 熱電三效應(yīng)化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 （2）珀耳帖效應(yīng)（Peltier effect）是在塞貝克效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后13年，法國鐘表技師珀耳帖發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)溫差電效應(yīng)。即，當(dāng)電流流過由兩種不同材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）組成的熱電偶時(shí)，其一接點(diǎn)將釋放熱量，而另一接點(diǎn)將吸收熱量，后來人們稱此為珀耳帖效應(yīng)。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 （3）湯姆孫效應(yīng)（Thomson effect）是湯姆孫（又名開爾文）用熱力學(xué)理論推導(dǎo)塞貝克效應(yīng)與珀耳帖效應(yīng)之間的聯(lián)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)的第三種溫差電效應(yīng)，被稱為湯姆孫效應(yīng)

22、。具體表述為：當(dāng)電流流過有溫度差T的均勻?qū)w時(shí)，除了會(huì)產(chǎn)生不可逆的焦耳熱以外，還有可逆的湯姆孫熱Q被放出或被吸收。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 這三種溫差電效應(yīng)之間是相互聯(lián)系的，由熱力學(xué)定律可以導(dǎo)出它們之間的關(guān)系。 實(shí)際上，珀耳帖效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 在上述熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，就被人們所利用，最早是用在測溫領(lǐng)域，被稱為：溫差電偶（人們更習(xí)慣的稱呼是：熱電偶，Thermoelectric Couple），現(xiàn)已廣泛用于測溫技術(shù)和溫度傳感器。熱電偶可以用金屬材料進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗枰碾妱?dòng)勢(shì)很?。ㄔ趍V級(jí)），但要產(chǎn)生更高的電動(dòng)勢(shì)，就需要用半導(dǎo)體

23、材料進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在已經(jīng)可以利用兩種（n型和p型）半導(dǎo)體組成的回路按照珀耳帖效應(yīng)來制作溫差電制冷器（Thermoelectric Cooling Device，習(xí)慣上稱為：半導(dǎo)體制冷器）和按照塞貝克效應(yīng)制作溫差發(fā)電機(jī)（Thermoelectric Generator）。為此，人們還提出了一個(gè)參數(shù)，被稱為溫差電材料的品質(zhì)因數(shù)，或稱為：優(yōu)質(zhì)系數(shù)（Figure of Merit），該參數(shù)一般用符號(hào)Z來表示，單位為K-1。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 溫差發(fā)電器（thermoelectric generator）由n型和p型半導(dǎo)體組成溫差電偶，其一端由金屬板連接起來，另一端串聯(lián)負(fù)載電偶r。由

24、熱源提供高溫Th，另一端由散熱器維持其較低溫度Tc。 與所有的發(fā)電機(jī)一樣，當(dāng)負(fù)載電阻R與發(fā)電機(jī)內(nèi)阻r相等時(shí)，發(fā)電機(jī)能夠獲得最大的電功率，發(fā)電器的效率定義為有用電功率P與消耗的熱能Qa之比。 3.2 溫差發(fā)電器的原理化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 目前，利用熱電轉(zhuǎn)換材料的溫差發(fā)電機(jī)被用到地?zé)崮芾谩⒑Ｋ疁夭钅芾?、工業(yè)余熱利用等領(lǐng)域。在核領(lǐng)域，Pu238是元素钚的一個(gè)重要同位素，它放射性衰變時(shí)會(huì)恒定地放出熱量，以它作為持續(xù)不斷熱源而所制作的溫差發(fā)電機(jī)可作為陸用與空間用的小型核動(dòng)力電源，該電源在生物、醫(yī)學(xué)、氣象學(xué)、航空航天領(lǐng)域均有應(yīng)用。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 要求溫差發(fā)電效率ma

25、x高，就要尋找優(yōu)值系數(shù)高的高溫材料。而材料的溫差電參數(shù)往往依賴溫度，有些材料只在某一溫度范圍內(nèi)具有較高的優(yōu)值系數(shù)。有時(shí)可考慮由多種材料連接組成電偶臂，使得不同溫區(qū)都有較高優(yōu)值系數(shù)的材料，不過，這種連接在技術(shù)上有一定困難。另一方法是晶體生長時(shí)摻雜濃度有梯度變化，使得電偶臂的不同溫區(qū)的摻雜濃度都處于最佳值。3.3 熱電材料化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 許多溫差電材料往往只在某一溫度范圍內(nèi)有較高的優(yōu)值系數(shù)。在300oC以下的低溫范圍，可采用Bi-Te-Se，Sb-Bi-Te系；在的300oC 600oC中溫區(qū)，PbTe、SnTe、ZnSb是較好材料；在600oC 1000oC的高溫區(qū)，主要溫差

26、電材料有GeSi、MnFe、Re2Si等。近幾年來，PbTe和CoSb以為基的方鈷礦結(jié)構(gòu)等新材料研究日益受到人們的重視。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 應(yīng)該指出，關(guān)于熱電材料的研究還處于初期階段，通過進(jìn)一步深入研究，期望能發(fā)現(xiàn)性能更優(yōu)的溫差電（發(fā)電與制冷）材料。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用4 儲(chǔ)能材料 儲(chǔ)能（也稱貯能，Energy Storage）包括自然儲(chǔ)能和人為儲(chǔ)能這兩大類。植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)樯锬軆?chǔ)存、古生物經(jīng)過久遠(yuǎn)的演化轉(zhuǎn)換為化石燃料等都屬于自然儲(chǔ)能過程；但相對(duì)來說，人們更重視后一類儲(chǔ)能方式，這是因?yàn)槿藶閮?chǔ)能可以通過人類的自身努力、按照人們的意愿來可逆地來儲(chǔ)存

27、能量與釋放能量。人為儲(chǔ)能包括：機(jī)械儲(chǔ)能（機(jī)械儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍很廣，像彈簧儲(chǔ)能、飛輪等儲(chǔ)能方式）、化學(xué)儲(chǔ)能（像一次電池、二次電池和貯備電池等）、電磁儲(chǔ)能（像超導(dǎo)電磁線圈儲(chǔ)能等）、氣體儲(chǔ)能（像壓縮空氣儲(chǔ)能等）、液體儲(chǔ)能（像用電谷底時(shí)，將水抽到高處等待用電高峰時(shí)輔助或增加水力發(fā)電、將氣體燃料高壓壓縮為液體燃料等儲(chǔ)能方式）、材料儲(chǔ)能等。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 這里所介紹的是材料儲(chǔ)能，也叫做：儲(chǔ)能材料，它們是能夠通過自身的一些特性來儲(chǔ)存能量的材料。最常用的兩種儲(chǔ)能材料是：儲(chǔ)熱材料和儲(chǔ)存燃料的材料。 傳統(tǒng)的顯式儲(chǔ)熱方法很多，像直接利用水、碎石等材料的溫差實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱等，雖然其使用起來簡單、方便，但

28、因儲(chǔ)熱效率低，所以不屬于新型儲(chǔ)熱材料的范圍。新型的儲(chǔ)熱材料是利用材料的相變、結(jié)晶、稀釋等過程的熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱，尤其是利用材料的相變潛熱來儲(chǔ)熱應(yīng)用范圍廣泛，這類材料被稱為：相變材料或PCM材料?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 通常所說相變是指以下四種情況： 晶體的晶格轉(zhuǎn)換，例如六方晶格鋯在871轉(zhuǎn)換為體心立晶格要吸收53kJ/kg的熱量，類似的材料還有CaCl26H2O、Na2HPO4126H2O、Ca（NO3）106H2O、Na2SO410H2O、Na2S2O36H2O； 固、液間的相變，最常見的是冰-水轉(zhuǎn)換，其他材料包括一些鹽，像BeCl2、NaF、NaCl、LiH、LiNO3、KCl

29、、B2O3、Al2O3、Al2Cl6、FeCl3、NaOH、H3PO4、KNO3等與一些共熔混合鹽，像KCl KNO3、NaClNaNO3、CaCl2LiNO3、BaCl2KClLiCl、KFNaFKNO3、NaClNaNO3NaSO4、KBrKClLiBrLiCl等； 液、氣間的相變，最常見的是水-水蒸汽轉(zhuǎn)換； 固氣升華（升華熱大約等于溶解熱與蒸發(fā)熱之和），除了冰以外，萘和碘等也有這種現(xiàn)象。 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 目前已知的PCM材料有500多種，具體情況請(qǐng)讀者參閱有關(guān)的專著或手冊(cè)。但是請(qǐng)記?。翰⒎撬械南嘧儾牧隙伎梢杂米飨嘧儍?chǔ)能材料，它需要滿足以下幾個(gè)要求：第一是熱性能要求，

30、要有合適的相變溫度、相變熱較大合適的熱導(dǎo)率（一般宜大）；第二是化學(xué)性能的要求，像變時(shí)不能有熔析現(xiàn)象以免相變材料成分有變化，另外，相變的可逆性要好、過冷度要小、性能穩(wěn)定、無毒、無腐蝕、無污染、使用安全、不易燃、不易爆、不易氧化變質(zhì)、結(jié)晶快和晶體生長快；第三是物理性能要求，蒸氣壓要低、體膨脹率要小、密度要大；第四是經(jīng)濟(jì)性能的要求，原料要易購、價(jià)格低。需要特別指出的是：通常PCM材料是由多組分構(gòu)成，包括：主儲(chǔ)熱劑、相變點(diǎn)調(diào)整劑、防過冷劑、防相分離劑、相變促進(jìn)劑等?；瘜W(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 PCM材料按相變形式來分，有固-固相變型、固-液相變型等；按相變溫度來分，有高溫型、中溫型、低溫型；按

31、化學(xué)成分來分，有無機(jī)型、有機(jī)型、復(fù)合型，尤其是復(fù)合型已經(jīng)成為PCM材料的一個(gè)研究熱點(diǎn)。復(fù)合型PCM材料的制備方法主要有： 膠囊化技術(shù)； 利用毛細(xì)管作用將相變材料吸附到多孔基質(zhì)中； 與聚合物復(fù)合； 用濕化學(xué)法制備無機(jī)/有機(jī)納米復(fù)合PCM材料。化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)和能源材料分類及應(yīng)用 儲(chǔ)存燃料的材料也很多，例如可燃?xì)怏w水合物，尤其是自然的天然氣水合物（簡稱：NGH，俗稱；可燃冰）的探測與開發(fā)、合成天然氣水合物的研制與開發(fā)是未來能源的發(fā)展方向之一，但其目前的應(yīng)用還沒有充分展開。目前應(yīng)用廣泛和受到重視的是儲(chǔ)存氫氣的材料，簡稱：儲(chǔ)氫材料。因此，以下將重點(diǎn)介紹的是儲(chǔ)氫材料。 氫氣是最清潔的一次能源，它熱值高、資源豐富、無毒、無污染，常用氫氣的制取方法有：天然氣制