第七章新型功能材料

第七章第3節(jié)

能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能材料12B班納敏1241100967.3.1能源轉(zhuǎn)換能源轉(zhuǎn)換：是改變能源物理形態(tài)的能源生產(chǎn)。人類對(duì)能源的利用主要有三次大轉(zhuǎn)換煤炭取代木材石油取代煤炭向多能源結(jié)構(gòu)的過(guò)渡轉(zhuǎn)換世界能源正面臨著一個(gè)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。能量?jī)?chǔ)存是解決能量供求在時(shí)間和空間匹配上的矛盾、提高能源利用率的有效手段，而儲(chǔ)能材料是儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)。

目前的熱能儲(chǔ)存材料主要有3類：顯熱儲(chǔ)存材料、潛熱儲(chǔ)存材料和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存材料。7.3.2化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能材料

化學(xué)儲(chǔ)能實(shí)際上就是利用儲(chǔ)能材料相接觸時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而通過(guò)熱能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。廣泛應(yīng)用于化學(xué)熱泵、化學(xué)熱管、化學(xué)熱機(jī)、空調(diào)設(shè)備和滅火材料等方面。1.結(jié)晶水合物

結(jié)晶水合物蓄熱是在低于其熔點(diǎn)的溫度下，使水合鹽全部或部分脫落去其結(jié)晶水，利用在脫水過(guò)程中吸收的水合熱來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的儲(chǔ)存。Na2S.nH2O(s）+?HNa2S（s）+nH2O2.無(wú)機(jī)氫氧化物3.多孔蓄熱材料多孔蓄熱材料是利用了沸石和硅膠等材料對(duì)水的高吸附熱。4.復(fù)合蓄熱材料這種復(fù)合材料是在各種多孔材料，如硅膠、氧化鋁及其他聚合物的、金屬的和含碳的多孔材料中填充選定類型的結(jié)晶水合物而制得。7.3.3相變儲(chǔ)能材料1.固-液相變儲(chǔ)能材料(1)無(wú)機(jī)儲(chǔ)能材料（2）有機(jī)儲(chǔ)能材料2.固-固相變材料（1）多元醇主要有季戊四醇（PE）、2,2-二羥甲基丙醇（PG）、新戊二醇（NPG）等。（2）高分子類如交聯(lián)聚烯烴類、交聯(lián)聚縮醛類和一些接枝共聚物（3）層狀鈣鈦礦一種有機(jī)金屬化合物7.3.4熱電、壓電和鐵電材料

1.熱電材料(1)熱電效應(yīng)①賽貝克(seebeck)效應(yīng)

當(dāng)兩種不同金屬接觸時(shí)，它們之間會(huì)產(chǎn)生接觸電位差。如果兩種不同金屬形成一個(gè)回路時(shí)，兩個(gè)接頭的溫度不同，則由于該接頭的接觸電位不同，電路中會(huì)存在一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，因而有電流通過(guò)。電流與熱流之間有交互作用存在，其溫度梯度不但可以產(chǎn)生熱流，還可以產(chǎn)生電流，這是一種熱電效應(yīng)，稱為賽貝克效應(yīng)，其所形成的電動(dòng)勢(shì)，稱為賽貝克電動(dòng)勢(shì)。②珀耳帖(Peltier)效應(yīng)

在賽貝克效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后不久，珀耳帖發(fā)現(xiàn)賽貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)，即當(dāng)兩種金屬通過(guò)兩個(gè)接點(diǎn)組成一回路并通以電流時(shí)，會(huì)使得一個(gè)接頭發(fā)熱而使另一個(gè)接頭致冷，這就是珀耳帖效應(yīng)。由此效應(yīng)而產(chǎn)生的熱稱為珀耳帖熱，其數(shù)值大小既取決于兩種材料的性質(zhì)，也與通過(guò)的電流成正比，即QAB=ΠABI，式中為材料A和B間的相對(duì)珀耳帖系數(shù)。通常規(guī)定，電流由A流向B時(shí)有熱吸收的，珀耳帖系數(shù)為正；反之為負(fù)。③湯姆遜(Thomson)效應(yīng)

湯姆遜效應(yīng)是基于賽貝克效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)而發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)熱電效應(yīng)。湯姆遜發(fā)現(xiàn)，只考慮兩個(gè)接頭處發(fā)生的效應(yīng)是不完全的，還必需同時(shí)考慮沿單根金屬線由于其兩端溫度差而產(chǎn)生的時(shí)勢(shì)。(2)熱電材料及其應(yīng)用合金熱電材料是最重要的熱電材料之一，根據(jù)賽貝克效應(yīng)的原理，被廣泛地應(yīng)用在測(cè)量溫度方面，這便是我們熟知的熱電偶。此外，熱電效應(yīng)還被廣泛地應(yīng)用于加熱(熱泵)、制冷和發(fā)電等方面。2.壓電材料⑴壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)

壓電材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)變的工作物質(zhì)。這是一類具有很大潛力的功能材料。當(dāng)壓電材料受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起電極化，其極化值與機(jī)械應(yīng)力成正比，其符號(hào)則取決于力的方向，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；反過(guò)來(lái)，材料在電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生一個(gè)在數(shù)量上與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。⑵壓電材料的應(yīng)用

常用的壓電材料有石英(SiO2)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈮酸鋰(LiNbO3)等單晶和鈣鈦礦型的壓電陶瓷，這種陶瓷是鈦酸鋇、鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3，簡(jiǎn)寫為[PZT]等的多晶材料，其成分可根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行配料。壓電材料的應(yīng)用很廣，首先是利用它的換能特性，即將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽黄浯问菈弘娋w的諧振特性。壓電效應(yīng)除了利用換能作用外，還有另一類重要的應(yīng)用，即利用壓電晶體的諧振特性。例如石英晶體存在一個(gè)固有的諧振頻率，當(dāng)給壓電晶體輸入一個(gè)電信號(hào)時(shí)，如果電信號(hào)的頻率與壓電晶體的諧振頻率相等，壓電晶體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)又使壓電晶體輸出強(qiáng)的電信號(hào)。由于石英晶體的諧振頻率極為穩(wěn)定，可用以設(shè)計(jì)制造報(bào)時(shí)準(zhǔn)確的石英電子表。3.鐵電材料一般的電介質(zhì)只有在電場(chǎng)作用下才能電極化，但有一類電介質(zhì)具有自發(fā)極化，而且它的自發(fā)極化方向能隨電場(chǎng)的作用而轉(zhuǎn)向，這一類電介質(zhì)稱為鐵電體。

晶體自發(fā)極化的性質(zhì)起源于晶體中原子的有序排列，出現(xiàn)正負(fù)電荷的重心沿某一方向發(fā)生相對(duì)位移，整個(gè)晶體在該方向上呈現(xiàn)極性，一端為正，一端為負(fù)，使晶體自發(fā)地出現(xiàn)極化現(xiàn)象。自發(fā)極化晶體的極化狀態(tài)，將隨溫度的改變而變化，這種性質(zhì)稱為熱電性。熱電性是所有呈現(xiàn)自發(fā)極化的晶體的共性。具有熱電性的晶體稱為熱電體。

鐵電材料對(duì)電信號(hào)表現(xiàn)出高介電常數(shù)，對(duì)溫度改變表現(xiàn)出大的熱釋電響應(yīng)，在應(yīng)力或聲波作用下，具有強(qiáng)的壓電效應(yīng)和聲光效應(yīng)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，具有顯著的電光效應(yīng)。另外鐵電材料在強(qiáng)光輻射下，電子被激發(fā)引起自發(fā)極化的變化，從而出現(xiàn)許多新的現(xiàn)象，如光折變效應(yīng)等。鐵電材料具有的這些性質(zhì)，已為它的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。7.3.5鋰離子電池負(fù)極：石墨或其他類似物質(zhì)隔膜正極：鋰和過(guò)渡金屬化合物1.鋰離子電池的性能優(yōu)點(diǎn)：（1）容量大（2）荷電保持能力強(qiáng)（3）循環(huán)使用壽命長(zhǎng)（4）安全性高（5）無(wú)環(huán)境污染（6）無(wú)記憶效應(yīng)（7）質(zhì)量輕（8）比能量高2.鋰離子電池正極材料正極材料在電池運(yùn)作中提供鋰離子，材料性能對(duì)動(dòng)力鋰電池安全性、循環(huán)壽命等的影響極大。在電池原材料成本中，正極材料占比17%左右。目前鋰離子電池常用的正極材料有鈷酸鋰（LiCoO3）、錳酸鋰（LiMn2O4）和磷酸鐵鋰（LiFePO4）等。3.鋰離子電池負(fù)極材料碳材料主要有天然石墨、人造石墨、中間相碳微球等—