第七章新型功能材料

第七章第3節(jié)

能源轉(zhuǎn)換與儲能材料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)的過渡轉(zhuǎn)換世界能源正面臨著一個新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。能量儲存是解決能量供求在時間和空間匹配上的矛盾、提高能源利用率的有效手段，而儲能材料是儲能技術(shù)的基礎(chǔ)。

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

化學(xué)儲能實際上就是利用儲能材料相接觸時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而通過熱能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換將能量儲存起來。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，利用在脫水過程中吸收的水合熱來實現(xiàn)熱量的儲存。Na2S.nH2O(s）+?HNa2S（s）+nH2O2.無機(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相變儲能材料1.固-液相變儲能材料(1)無機(jī)儲能材料（2）有機(jī)儲能材料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，它們之間會產(chǎn)生接觸電位差。如果兩種不同金屬形成一個回路時，兩個接頭的溫度不同，則由于該接頭的接觸電位不同，電路中會存在一個電動勢，因而有電流通過。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)，其所形成的電動勢，稱為賽貝克電動勢。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)兩種金屬通過兩個接點(diǎn)組成一回路并通以電流時，會使得一個接頭發(fā)熱而使另一個接頭致冷，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)，也與通過的電流成正比，即QAB=ΠABI，式中為材料A和B間的相對珀耳帖系數(shù)。通常規(guī)定，電流由A流向B時有熱吸收的，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)的第三個熱電效應(yīng)。湯姆遜發(fā)現(xiàn)，只考慮兩個接頭處發(fā)生的效應(yīng)是不完全的，還必需同時考慮沿單根金屬線由于其兩端溫度差而產(chǎn)生的時勢。(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，會引起電極化，其極化值與機(jī)械應(yīng)力成正比，其符號則取決于力的方向，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；反過來，材料在電場作用下，產(chǎn)生一個在數(shù)量上與電場強(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?；其次是壓電晶體的諧振特性。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固有的諧振頻率，當(dāng)給壓電晶體輸入一個電信號時，如果電信號的頻率與壓電晶體的諧振頻率相等，壓電晶體會產(chǎn)生強(qiáng)的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動又使壓電晶體輸出強(qiáng)的電信號。由于石英晶體的諧振頻率極為穩(wěn)定，可用以設(shè)計制造報時準(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)生相對位移，整個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。

鐵電材料對電信號表現(xiàn)出高介電常數(shù)，對溫度改變表現(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（4）安全性高（5）無環(huán)境污染（6）無記憶效應(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，材料性能對動力鋰電池安全性、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—