新能源材料資料

新能源材料資料第1頁/共111頁2第八講新能源材料NewEnergyMaterials

第2頁/共111頁3主要內(nèi)容新能源材料儲氫材料新型二次電池材料燃料電池材料太陽能電池材料核能材料第3頁/共111頁4能源是人類社會生存和發(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。

煤炭開采海上石油開采平臺嚴(yán)重的生態(tài)破壞第4頁/共111頁5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；第5頁/共111頁6巨大的能源危機：已開采800億噸石油，按現(xiàn)在的開采速度，地球上已探明的1770億噸石油儲量僅夠開采50年;已探明的173萬億立方米天然氣僅夠開采63年；已探明的9827億噸煤炭還可用300年到400年;已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸，全球441座核電站每年消耗6萬多噸濃縮鈾，僅夠使用100年左右。世界各國水能開發(fā)也已近飽和，風(fēng)能、太陽能尚無法滿足人類龐大的需求。第6頁/共111頁7我國作為發(fā)展中大國，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，中國風(fēng)力發(fā)電量達到了25.8億瓦，超過了德國的25.77億瓦，僅次于美國35億瓦；2020年，中國將投入足以實現(xiàn)年發(fā)電量150億瓦的風(fēng)力渦輪機，成為世界最大的風(fēng)能生產(chǎn)國。盡管在新能源領(lǐng)域有了大規(guī)模的增長，但風(fēng)力發(fā)電量只占據(jù)中國電力消耗總量的1%。第7頁/共111頁8為緩解和解決能源危機，科學(xué)家提出資源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發(fā)展新的能源系統(tǒng)，同時還必須靠新材料的開發(fā)與利用才能使新系統(tǒng)得以實現(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的根本途徑。第8頁/共111頁9新能源材料第9頁/共111頁10新能源包括太陽能生物質(zhì)能核能風(fēng)能地?zé)岷Ｑ竽軞淠芴柲軞淠茱L(fēng)能潮汐能地?zé)岷四艿?0頁/共111頁112009年，世界第八大石油公司巴西石油公司旗下的生物能源公司代表來到成都，與四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院洽談，希望能將四川的麻風(fēng)樹引進到巴西種植。麻風(fēng)樹是世界上公認(rèn)的生物能源樹，其果實可全部用來煉取生物柴油，而且在“碳匯交易”市場上具有巨大潛力，麻風(fēng)樹種植麻風(fēng)樹果實-小桐子

第11頁/共111頁122011年11月，從小桐子中提煉出的生物航空燃料應(yīng)用于波音747客機在首都機場首次驗證試飛成功。本次試飛由國航、中石油、美國波音公司和霍尼韋爾公司合作完成，我校陳放教授應(yīng)邀參加。試飛成功標(biāo)志著我國已具備研發(fā)生產(chǎn)航空生物燃料的技術(shù)能力，這對于促進生物燃料應(yīng)用，應(yīng)對氣候變化、解決能源問題具有重要意義。第12頁/共111頁13新能源材料是指能實現(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：儲氫合金為代表的儲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硅半導(dǎo)體為代表的太陽能電池材料鈾、氘、氚為代表的反應(yīng)堆核能材料-------------第13頁/共111頁14主要特點新能源材料能把原來使用的能源轉(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)蒙古四王子旗太陽能電池光伏電站太陽能熱水器第14頁/共111頁15新能源的應(yīng)用第15頁/共111頁16儲氫材料第16頁/共111頁17氫能是人類未來的理想能源。氫能熱值高，如燃燒1kg氫可發(fā)熱1.4×105kJ，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，可作為燃料電池發(fā)電，也可用于氫能汽車、化學(xué)熱泵等。氫能的開發(fā)利用已成為世界特別關(guān)注的科技領(lǐng)域。第17頁/共111頁18氫能利用關(guān)鍵是高密度安全儲存和運輸技術(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個大氣壓下儲存在鋼瓶內(nèi)，氫氣重量不到鋼瓶重量的1/100，且有爆炸危險，很不方便。為解決氫的儲存和運輸問題，人們研發(fā)了相應(yīng)的儲氫材料，主要包括活性炭、無機化合物、有機化合物以及合金化合物四大類儲氫材料。常用高壓氫氣瓶第18頁/共111頁19活性炭儲氫活性炭比表面積可達2000m2/g以上，低溫加壓可吸附儲氫。活性炭原料易得，吸附儲氫和放氫操作都比較簡單。富勒烯(C60)和碳納米管(CNT)對氫氣具有較強的吸附作用。單層碳納米管的吸氫量比活性炭高，H2的吸附量可達5％-10％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，有望成為新一代儲氫材料。富勒烯C60碳納迷管第19頁/共111頁20無機化合物儲氫某些無機化合物和氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可儲氫，然后在一定條件下分解可放氫。利用碳酸氫鹽與甲酸鹽之間相互轉(zhuǎn)化，吸氫和放氫反應(yīng)為：以活性炭作載體，在Pd或PdO的催化作用下，以KHCO3或NaHCO3作為儲氫劑，儲氫量約為2％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。該法優(yōu)點是原料易得、儲存方便、安全性好，但儲氫量比較小，催化劑價格較貴。釋氫，70℃，0.1MPa吸氫，35℃，2.0MPa第20頁/共111頁21有機液體氫化物儲氫借助儲氫載體(如苯和甲苯等)與H2的可逆反應(yīng)來實現(xiàn)，包括催化加氫反應(yīng)和催化脫氫反應(yīng)。該法儲氫量大，環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷的理論儲氫量分別為7.19％和6.18％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，比高壓儲氫和金屬氫化物儲氫的實際量都大。儲氫載體苯和甲苯可循環(huán)使用，其儲存和運輸都很安全方便。催化加氫和催化脫氫裝置和投資費用較大，儲氫操作比較復(fù)雜。其中R=H、CH4H2，供用戶使用H2，制氫工廠儲存、運輸儲存、運輸催化脫氫催化加氫第21頁/共111頁22合金化合物儲氫在一定溫度和氫氣壓力下能多次吸收、儲存和釋放氫氣的合金被稱為儲氫合金。氫原子容易進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ab第22頁/共111頁23儲氫合金可儲存比其體積大1000-1300倍的氫，而且合金中存儲的氫表現(xiàn)為H與H+之間的中間特性，結(jié)合力較弱，當(dāng)金屬氫化物受熱時又可釋放氫氣。儲氫合金的儲氫量比較第23頁/共111頁24儲氫合金材料達到實用目的，必須滿足下列要求：儲氫量大，能量密度高；吸氫和放氫速度快；氫化物生成熱?。环纸鈮哼m中：容易活化；化學(xué)穩(wěn)定性好；在儲運中安全、無害；原料來源廣、成本價廉。四川大學(xué)材料學(xué)院儲氫材料課題組首創(chuàng)低成本V-Ti-Cr-Fe四元合金體系：在溫和條件下可快速吸氫飽和:40℃，<6min第24頁/共111頁25儲氫合金材料主要有：稀土系列、鎂鎳系列、鈦合金系列等。大多數(shù)金屬氫化物儲氫量在1％-4％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、能量密度高，所需費用明顯低于深冷液化儲氣和高壓儲氫，原料易得，安全可靠。儲氫合金已成為各國都積極研發(fā)的一種很有前途的儲氫方法。我國生產(chǎn)的稀土儲氫合金第25頁/共111頁26稀土系儲氫合金LaNi5是稀土系儲氫合金的典型代表，由荷蘭Philip實驗室于1969年首先研制。LaNi5在室溫下可與一定壓力的氫氣反應(yīng)形成氫化物，如下式所示：LaNi5具有優(yōu)良的儲氫性能，塊狀LaNi5合金儲氫量約1.4％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，分解壓適中平坦，活化容易，具有良好的動力學(xué)特性和抗雜質(zhì)氣體中毒性。

第26頁/共111頁27LaNi5成本高，大規(guī)模應(yīng)用受限，因此發(fā)展置換La和Ni的多元合金：LaNi5-xMx(M＝Al、Mn、Cr、Fe、Co、Cu等)和R0.2La0.8Ni5(R＝Y(jié)、Gd、Nd、Th等)。用富Ce混合稀土(Mm)代替La可研制廉價的MmNi5儲氫合金，在MmNi5基礎(chǔ)上開發(fā)多元合金，如MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等)系列，不僅保持LaNi5的優(yōu)良特性，而且在儲氫量和動力學(xué)特性方面優(yōu)于LaNi5，價格僅為純La的1/5。第27頁/共111頁282009年，西博會上展出的川大寶生實業(yè)公司生產(chǎn)的稀土儲氫合金電池第28頁/共111頁29鈦系儲氫合金TiFe具有優(yōu)良儲氫特性，吸氫量約1.75％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，室溫下釋氫壓力約為0.1MPa。價格較低，具有很大實用價值。TiFe活化困難，須在450℃和5MPa壓力下進行活化；抗毒性弱(特別是O2)，反復(fù)吸釋氫后性能下降。為改善TiFe合金儲氫特性，可用過渡元素(M)置換部分鐵形成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等)。TiFe0.8Mn0.2可在室溫3MPa氫壓下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.05氫化物，儲氫量達到1.9wt％。第29頁/共111頁30鎂系儲氫合金在300-400℃和較高氫壓下，Mg2Ni與氫生成Mg2NiH4，含氫量為3.65wt％，理論儲氫量可達6%，但其穩(wěn)定性強，釋氫困難。用Ca和A1取代部分Mg形成Mg2-xMxNi，氫比物離解速度比Mg2Ni增大40％以上，活化容易，具有良好的儲氫性能，性質(zhì)穩(wěn)定。利用過渡元素(M)置換Mg2Ni中的部分Ni，形成Mg2Ni1-xMx合金(M＝V、Cr、Mn、Fe、Zn等)，也可改善吸/釋氫的速度，具有實用價值。第30頁/共111頁31儲氫合金的應(yīng)用氫儲存是儲氫合金最基本的應(yīng)用。金屬氫化物儲氫密度高，采用Mg2Ni制成的儲氫容器與高壓(20MPa)鋼瓶和深冷液化儲氫裝置相比，在儲氫量相等的情況下，三者質(zhì)量比為1：1.4：1.2，體積比為1：4：1.3；儲氫合金儲氫無需高壓或低溫設(shè)施，節(jié)省能源；氫以金屬氫化物形式存在儲氫合金中，安全可靠，便于氫的運輸和傳遞。第31頁/共111頁32儲氫合金儲氫量與其他儲氫方法儲氫量的比較第32頁/共111頁33儲氫合金可分離氫氣?；旌蠚怏w流過儲氫合金分離床，氫被吸收形成金屬氫化物，雜質(zhì)排出；加熱金屬氫化物，得到回收氫氣。反復(fù)提純可獲得高純氫氣，每年大量含氫尾氣放空(僅合成氨工業(yè)全國每年放空尾氣數(shù)十億m3，含有50％-60%的氫氣)，回收利用可提供大量廉價氫氣，得到巨大的能源補充。氫氣純化裝置氫氣純化工廠第33頁/共111頁34某些儲氫合金的氫化物同氘、氚化物相比，同一溫度下吸釋氘氚的熱力學(xué)和動力學(xué)特性有較大差別，可用于氫同位素的分離。TiNi合金吸收D2的速率為H2的1/10，將含7%D2的H2導(dǎo)入到TiNi合金中，每通過一次可使D2濃縮50%，通過多次壓縮和吸收，氘的濃度可迅速提高，同時回收大量高純H2。氫同位素的應(yīng)用第34頁/共111頁35金屬氫化物也是理想的能量轉(zhuǎn)換材料。氫化物熱泵：以氫氣為工作介質(zhì)，儲氫合金為能量轉(zhuǎn)換材料，相同溫度下分解壓不同的兩種氫化物組成熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)，以它們的平衡壓差驅(qū)動氫氣流動，使兩種氫化物分別處于吸氫(放熱)和放氫(吸熱)狀態(tài)，達到升溫、增熱或制冷目的。德國用LaNi5/Ti0.9Zr0.1CrMn合金獲得-25℃低溫；日本用MmNiMnAl/MmNiMnCo制備制冷系統(tǒng)，連續(xù)獲得-20℃低溫，制冷功率為900-1000W。第35頁/共111頁36儲氫合金電極替代NiCd電池中的Cd負(fù)極，組成鎳-氫化物電池，不但具有高能量密度，而且耐過充，放電能力強，無重金屬Cd對人體和環(huán)境的危害。儲氫合金在鎳氫電池上的應(yīng)用第36頁/共111頁37新型二次電池材料第37頁/共111頁38一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，同時電池中的重金屬元素泄露也會污染地下水和土壤。二次電池或蓄電池：放電時通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，充電時則使體系回復(fù)到原來狀態(tài)，將電能以化學(xué)能形式重新儲存起來。鎳氫充電電池Li離子充電電池第38頁/共111頁39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LIB電池)，不但性能優(yōu)良，而且污染較小，被稱為綠色電池。鉛酸蓄電池NiCd充電電池第39頁/共111頁40Ni/MH鎳氫二次電池Ni/MH電池的正極材料采用Ni(OH)2，負(fù)極材料為儲氫合金，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：能量密度是Ni/Cd電池的1.5-2倍；充放電速率高；耐過充和過放性能好；使用壽命長；低溫性能好；無Cd元素對環(huán)境的污染。

Ni/MH二次電池第40頁/共111頁41Ni/MH電池在充放電中產(chǎn)生如下電極反應(yīng)，工作原理如圖所示：正極：負(fù)極：電池反應(yīng)：放充放充放充Ni/MH電池工作原理第41頁/共111頁42Ni/MH電池的正極材料是Ni(OH)2，電池負(fù)極材料主要是儲氫合金，其種類如表所示。典型的Ni/MH負(fù)極材料及特征合金類型典型氫化物合金組成吸氫質(zhì)量/%電化學(xué)容/(mAh/g)理論值實際值A(chǔ)B5LaNi5H6MmNi3.5-4(MnAl)0.3-0.8Co0.2-1.31.3348330AB2ZrMn2H3Zr1-xTixNia(MnV)b(CoFeCr)c1.8482420ABTiFeH2ZrNi1.4,TiNi2.0536350A2BMg2NiH4Mg2Ni3.6965500固溶體V0.8Ti0.2H0.8V4-x(NbTaTiCo)xNi0.53.81018500第42頁/共111頁43電解質(zhì)需要有高的離子傳導(dǎo)能力，目前使用的Ni/MH電池的電解質(zhì)是KOH水溶液。KOH水溶液具有強腐蝕性，液體電解質(zhì)給電池加制作帶來不便。用高導(dǎo)電性能的固體或凝膠電解質(zhì)替代KOH是Ni/MH電池的一個發(fā)展趨勢。研究表明，采用高吸水和高親水能力的聚合物凝膠作為電解質(zhì)，電池的電化學(xué)性能與普通KOH電解質(zhì)電池相近。第43頁/共111頁44Ni/MH電池開發(fā)重點是大功率、高容量方向。國際上主要汽車公司如GM、Ford和Toyota等相繼開發(fā)出Ni/MH電動汽車和混合電動汽車，GM公司生產(chǎn)的Ni/MH電池動力車，單次充電后可行駛225km，時速為150公里。GM生產(chǎn)的EVI汽車，用26個12V的電池，3小時充電后時速可達到150公里第44頁/共111頁45日本Toyota公司開發(fā)出世界上第一個商品化的混合動力車，該車采用240只高功率的Ni/MH電池串聯(lián)電池組提供動力，總電壓288V，容量為6.5Ah。豐田公司生產(chǎn)的RAV4-EVI汽車，充電一次可行駛215公里第45頁/共111頁462010年，我國電動汽車已從研發(fā)階段進入產(chǎn)業(yè)化階段，成為全球電動汽車產(chǎn)業(yè)和市場開拓中一支不可忽視的力量。未來五至十年，混合動力汽車將成為傳統(tǒng)汽車節(jié)能技術(shù)改造、升級換代的主要方向，純電動汽車將成為近期發(fā)展戰(zhàn)略的主流，一汽豐田的普銳斯混合動力汽車上海通用的雪佛蘭混合動力汽車第46頁/共111頁47我國已建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)、適用于中國公共交通和私人汽車市場特色的混合動力、純電動、燃料電池動力系統(tǒng)技術(shù)平臺，掌握了整車集成技術(shù)。在電機、電池和控制系統(tǒng)方面，車用鎳氫和鋰離子電池、車用燃料電池等對電動汽車性能有決定性影響的零部件領(lǐng)域，我國也取得重要進展。2010年5月，成都4輛電動公交車上路，分別運行16路和28路，充電后空載可行駛270多公里第47頁/共111頁48LIB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/(Wh/kg)30-5050-70100-150體積比能量/(Wh/L)150200270沖放電壽命/次5005001000第48頁/共111頁49LIB電池具有工作電壓高、比能量高、容量大、循環(huán)特性好、重量輕、體積小等優(yōu)點，而且LIB無記憶效應(yīng)，不需將電放盡后再充電；LIB自放電小，每月在10％以下，Ni/MH電池自放電一般為30％-40％。僅2000年，日本就銷售了4億多只Li電池。移動電話Li電池數(shù)碼相機Li電池筆記本Li電池第49頁/共111頁50LIB電池是一種Li離子濃度差電池，充放電中，Li離子在正負(fù)極之間往返嵌入和脫嵌。充電時，Li離子從正極脫嵌，通過電解質(zhì)和隔膜，嵌入負(fù)極，使負(fù)極處于富Li離子態(tài)，正極處于貧Li態(tài)；放電時，Li離子從負(fù)極脫嵌進入正極。鋰離子二次電池工作示意圖第50頁/共111頁51LIB負(fù)極材料LIB負(fù)極材料的演變過程負(fù)極材料金屬鋰鋰合金碳材料氧化物納米合金容量/(mAh/g)34007903727002000年代19651971199019951998金屬Li容量最高，但在LIB電池的長期充放電中，Li與有機電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生枝晶生長，并形成樹枝狀沉積物，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。第51頁/共111頁52LIB電池以炭材料替代Li負(fù)極、高電位的LiCoO2作正極的二次電池后，循環(huán)性能和安全性能得到大幅度提高，其電池反應(yīng)為：正極：負(fù)極：電池：放充放充放充不同形狀的Li離子電池第52頁/共111頁53納米碳材料具有傳統(tǒng)碳材料無法比擬的高比容量。納米碳管由于特殊的管狀結(jié)構(gòu)，Li離子不僅可嵌入管內(nèi)，還可嵌入管壁縫隙，具有嵌入深度小、過程短、嵌入位置多等優(yōu)點，可提高Li離子電池的充放電容量。用納米碳管作負(fù)極，電池理論容量超過石墨嵌Li化合物理論容量一倍以上。納米碳管的顯微形貌納米碳管的顯微結(jié)構(gòu)第53頁/共111頁54LIB電池的Li離子源由正極材料提供。LiCoO2是最早商品化的正極材料。由于Co資源少(地球已探明Co儲量為1000萬噸，而Mn量是Co的500倍)，人們開發(fā)了LiNiO2、LiMn2O4材料。LIB正極材料的性能正極材料理論比容量(mAh/g)實際比容量(mAh/g)密度(g/cm3)特點LiCoO2275130-1405.00性能穩(wěn)定，放電電壓穩(wěn)定，價格高LiNiO2274170-1804.78熱穩(wěn)定性差LiMn2O4148100-1204.28安全性高，高溫循環(huán)和存放性差，價格低第54頁/共111頁55鋰電池隔膜(以聚乙烯、聚丙烯為主的聚烯烴隔膜)是鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料。我校與深圳星源材質(zhì)公司合作開展鋰離子電池隔膜研制，取得重大突破。我校提供鋰電池隔膜制造工藝、裝備設(shè)計及配方等關(guān)鍵技術(shù)，形成具有核心競爭能力的專有技術(shù)和工藝，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)可媲美進口產(chǎn)品，填補國內(nèi)空白，打破國外壟斷。第55頁/共111頁56燃料電池材料第56頁/共111頁57燃料電池是直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效且與環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的材料。它是繼水力、熱能和核能發(fā)電后的第四種發(fā)電技術(shù)。燃料電池與二次電池不同的是不在內(nèi)部儲存能量，利用輸入燃料與氧的氧化還原反應(yīng)輸出電能。甲醇燃料電池（DMFC）第57頁/共111頁58許多國家投入大量人力和財力進行燃料電池研究，相繼開發(fā)：堿性氫氧燃料電池AFC磷酸型燃料電池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甲醇燃料電池DMFC堿性氫氧燃料電池磷酸燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池第58頁/共111頁59燃料電池應(yīng)用第59頁/共111頁60堿性氫氧燃料電池AFC1952年，培根研制出具有堿性氫氧燃料電池(AFC)，標(biāo)志著燃料電池進入實用化時代。培根電池的電極材料為Ni，電解質(zhì)為濃度30％的KOH溶液，氫為燃料，氧為氧化劑。工作電壓為30V，平均輸出功率600W，工作壽命大于400h，成為Apllo登月飛船電源。氫氧燃料電池構(gòu)造示意圖第60頁/共111頁61航天用堿性燃料電池是石棉膜堿性燃料電池。電池用含32％KOH水溶液的石棉體作電池隔膜，平均輸出功率7kW，電壓為30V，壽命達到2500h。哥倫比亞號、挑戰(zhàn)者號等航天飛機使用石棉膜堿性燃料電池，累計飛行時間超過27000h。哥倫比亞號發(fā)現(xiàn)者號挑戰(zhàn)者號第61頁/共111頁62為適應(yīng)未來1000kW級、超長壽命的航天電源要求，堿性燃料電池改進后工作壽命延長到105h。AFC另一重要應(yīng)用領(lǐng)域是作為潛艇動力電源，德國西門子公司已開發(fā)出100kW的AFC在潛艇上使用。阿穆爾潛艇的燃料電池組俄基洛級常規(guī)燃料電池潛艇德阿穆爾燃料電池潛艇第62頁/共111頁63磷酸型燃料電池PAFC磷酸型燃料電池(PAFC)是用天然氣重整氣為燃料，空氣為氧化劑，以浸有濃H3PO4的SiC微孔膜作電解質(zhì)，Pt/C為電催化劑，產(chǎn)生的直流電經(jīng)過變換后供給用戶使用的電池。磷酸燃料電池第63頁/共111頁6450-200kW的PAFC可供現(xiàn)場使用，作為醫(yī)院、銀行的不間斷電源使用。1000kW以上的PAFC可供區(qū)域性電站使用。世界有大量PAFC電站，最長已運行數(shù)萬小時，具有高度的可靠性。PAFC工作時啟動時間較長，不適合作移動電源。磷酸型燃料電池用做不間斷電源磷酸型燃料電池電站第64頁/共111頁65熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，燃料是氫或天然氣，氧化劑為氧氣或空氣與二氧化碳的混合氣體，電極反應(yīng)為如下所示，陰極：陽極：總反應(yīng)：第65頁/共111頁66MCFC中導(dǎo)電離子是CO32-，在陰極CO2是反應(yīng)物，在陽極CO2是產(chǎn)物。為使電池穩(wěn)定連續(xù)工作，必須將陽極的CO2產(chǎn)物返回到陰極。MCFC燃料電池工作原理第66頁/共111頁67MCFC電池由陽極、陰極、隔膜和雙極板組成。MCFC的工作溫度為600-700℃，且維持一定壓力，Ni陽極工作一段時間后會變形，MCFC采用向Ni中加入Cr、A1等合金元素，利用第二相彌散強化形成高溫下不易變形的NiCr、NiAl合金。隔膜是MCFC的核心部件，要求強度高，耐高溫熔鹽腐蝕，浸入電解質(zhì)后具有良好的離子導(dǎo)電性。MCFC隔膜使用LiAlO2，它在高溫熔鹽中具有很強的抗碳酸熔鹽腐蝕的能力。第67頁/共111頁68MCFC電池工作溫度為650℃，余熱利用價值高，電池不使用貴金屬催化劑，同時還具有發(fā)電效率高、噪音低、污染小、余熱利用率高等優(yōu)點，適用于中、小型分散電站的建立，是充分利用能源和減少環(huán)境污染的一種有效手段。國際上大多MCFC電站已經(jīng)進入安裝試運行階段，一些兆瓦級電站的運行時間已經(jīng)超過2萬小時。第68頁/共111頁69固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池包括電解質(zhì)材料、電極材料和連接材料。O2在具有催化活性的陰極上被還原成O2-，O2-在電池兩側(cè)氧濃度差的驅(qū)動下，通過電解質(zhì)中的氧空位定向遷移到陽極上，與燃料進行氧化反應(yīng)。SOFC燃料電池工作原理第69頁/共111頁70釔穩(wěn)定ZrO2陶瓷(YSZ)是SOFC中應(yīng)用最廣的電解質(zhì)材料。陰極采用具有較高離子導(dǎo)電率的鈣鐵礦氧化物，Sr摻雜LaMnO3是目前最常用的陰極材料。陽極材料采用金屬Ni，管式SOFC燃料電池第70頁/共111頁71SOFC燃料來源廣泛，不需貴金屬催化劑，電池不含腐蝕性介質(zhì)，能量綜合利用率達到70％以上。SOFC電池被認(rèn)為是最有效率的萬能電池，可用于發(fā)電、交通、宇航等許多領(lǐng)域。德西門子公司和美西屋公司在加州大學(xué)建立的SOFC電站德西門子公司和美西屋公司在荷蘭建立的SOFC電站第71頁/共111頁72質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)PEMFC是一種以全氟磺酸固體聚合物為電解質(zhì)，以Pt/C或Pt-Ru/C為催化劑，以氫或凈化重整氣為燃料，以空氣或純氧為氧化劑，以帶有氣體流動通道的石墨或金屬板為雙極板的新型燃料電池。構(gòu)成PEMFC電池的材料有電催化劑、電極、質(zhì)子交換膜、雙極板材料。PEMFC電池工作原理第72頁/共111頁73電催化劑要求對特定電極反應(yīng)有良好的催化活性，還要求耐腐蝕和良好導(dǎo)電性，一般選擇Ni、Pt及其合金。多孔Ni的微觀形貌PEMFC為提高電流密度，減少極化，需增加反應(yīng)面積。可采用多孔擴散電極，形成傳導(dǎo)氣、水、電的三維反應(yīng)界面，比表面積比平板電極提高3-5個數(shù)量級，大幅提高電極的極限電流密度。PEMFC電池的多孔擴散電極構(gòu)成第73頁/共111頁74PEMFC具有能量轉(zhuǎn)化率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，在室溫下可快速啟動、無電解液流失、水易排出、壽命長，特別適合作移動電源使用。在未來以氫為主要燃料的氫能時代，PEMFC將得到更廣泛的應(yīng)用。PEMFC電池在電瓶車上的應(yīng)用挑戰(zhàn)杯北航的無人駕駛驗證機中應(yīng)用PEMFC電池作為電源第74頁/共111頁75直接甲醇燃料電池是PEMFC中的一類，直接使用水溶液以及蒸汽甲醇為燃料供給來源，不需通過重組甲醇、汽油及天然氣等再取出氫以供發(fā)電。相較于PEMFC，DMFC燃料成分危險性低，電池結(jié)構(gòu)簡單，成為可攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用的主流。直接甲醇燃料電池(DMFC)Sharp研制的高功率DMFC電池，應(yīng)用于移動設(shè)備第75頁/共111頁762012年，工信部將在滬、晉、陜?nèi)亻_展甲醇汽車試點，燃料將以高比例M85(加入85%甲醇調(diào)配)和M100(純甲醇燃料)兩大類型為主。甲醇采取煤基生產(chǎn)路線，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，出租車使用M100燃料，油費可從0.8元/公里降到0.55元/公里；甲醇是清潔替代能源，一些煤制甲醇可回收70%的CO2排放，綜合排放致癌物僅為汽柴油的20%。第76頁/共111頁77太陽能電池材料第77頁/共111頁78太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位地球上一年接受的太陽能總量為3.8×1018kW，遠大于人類對能源的需求量；分布廣泛，不需要開采和運輸；不存在枯竭問題，可以長期利用；安全衛(wèi)生，對環(huán)境無污染等。人造衛(wèi)星上的太陽能電池第78頁/共111頁79通過光電轉(zhuǎn)化將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能加以利用是太陽能利用中最活躍的研究領(lǐng)域。清華大學(xué)電力國家重點實驗室太陽能電池開發(fā)綜合利用系統(tǒng)第79頁/共111頁80西班牙塞維利亞太陽能發(fā)電站—歐洲最大的太陽能電站，可供18萬戶使用，每年減排60萬噸CO2第80頁/共111頁81太陽能光電轉(zhuǎn)化的核心裝置是太陽電池。太陽電池的工作原理是光伏效應(yīng)：太陽光的光量子與材料相互作用產(chǎn)生電子空穴對，在勢壘區(qū)靜電場作用下，空穴和電子越過勢壘，電子進入n區(qū)，空穴進入p區(qū)，被分離的電子和空穴由電極收集并輸出，形成光生電流，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光伏效應(yīng)示意圖太陽能電池第81頁/共111頁82全球最大規(guī)模的光伏太陽能發(fā)電項目—鄂爾多斯市政府與美國firstsolar公司共建2000兆瓦太陽能光伏發(fā)電廠第82頁/共111頁83世博中國館、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容量超過4.68兆瓦的太陽能電池，每年能減排二氧化碳4000噸。主題館屋面太陽能板面積達3萬多平方米，是目前世界最大的單體面積太陽能屋面，年發(fā)電量280萬度，每年減排二氧化碳2800噸，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1000多噸。

世博中國館世博主題館第83頁/共111頁842011年5月，世界首架無污染太陽能飛機進行跨國飛行(從瑞士飛抵布魯塞爾需13小時)，飛行高度可達8700米，平均飛行速度為70-120公里/小時。用超輕碳纖維材料制成，總重1.6噸，由4臺小型電力發(fā)動機驅(qū)動，機翼配備1.2萬個太陽能電池板，翼展長度大約64米。第84頁/共111頁85晶體硅太陽能電池晶體硅太陽電池是以硅半導(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。晶體硅太陽電池具有性能穩(wěn)定、資源豐富、無毒性等優(yōu)點，是目前市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品。單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池第85頁/共111頁86提高晶體硅太陽電池性能的方法：吸雜：在多晶硅表面沉積磷或鋁層，在表面產(chǎn)生大量缺陷區(qū)；高溫下雜質(zhì)在缺陷區(qū)富集，去掉該層后就可消除部分雜質(zhì)，特別是重金屬雜質(zhì)，提高電池性能。鈍化：采取在氫氣中退火、等離子體處理等方式，用氫鈍化硅的懸鍵等缺陷，提高電池性能。在多晶硅表面制備多孔硅：降低電池表面反射率，提高電池轉(zhuǎn)換效率，達到13.4％。第86頁/共111頁87非晶硅太陽電池非晶硅太陽電池是以非晶硅為襯底的薄膜太陽電池，電池效率已達到13％；世界總組件生產(chǎn)能力達到每年50MW，應(yīng)用規(guī)模從手表、計算機等消費品用電源發(fā)展到兆瓦級的獨立電站。非晶硅太陽能電池第87頁/共111頁88非晶硅帶隙為1.5-2.0eV，其光譜響應(yīng)峰值與太陽光譜峰值的匹配比晶體硅更好，且開路電壓大；非晶硅具有長程無序短程有序的共價無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這可有效吸收光子，在可見光波長范圍內(nèi)吸收系數(shù)比晶體硅高一個數(shù)量級；無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)具有很強的散射作用，非晶硅中光子擴散長度很短，光生載流子會很快復(fù)合而不能收集，為此需要在電池內(nèi)盡量布滿電場。第88頁/共111頁89化合物太陽能電池化合物太陽電池所用材料包括II-VI族化合物和III-V族化合物。II-VI族化合物包括CdTe、CdS和CuInSe2等，制成的薄膜太陽電池轉(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，可制成薄膜太陽電池，轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性能好，是較理想的空間太陽電池。太空站上的GaAs太陽電池高原用的GdTe太陽電池第89頁/共111頁90CdTe太陽電池是以CdTe為吸收層、CdS為窗口層的半導(dǎo)體電池，開路電壓1.05V，理論轉(zhuǎn)換效率27％；目前小面積CdTe電池轉(zhuǎn)換效率已達16％，大面積組件已達10.1％。GaAs是III-V族化合物，帶隙為1.42eV，接近太陽電池所需的最佳帶隙，具有高的轉(zhuǎn)換效率，單結(jié)GaAs太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率可達26.2％；GaAs太陽電池轉(zhuǎn)換效率隨溫度變化下降不大，耐輻照性能好，適合做空間太陽電池。第90頁/共111頁91納米太陽電池納米太陽電池(簡稱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或PbxLa1-xTiO3(簡稱PLT)膜、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。納米太陽電池的結(jié)構(gòu)第91頁/共111頁92納米太陽電池工作原理：TiO2帶隙3.2eV，可見光不能將它激發(fā)，在TiO2表面吸附染料光敏化劑，通過染料分子與可見光相互作用，電子躍遷到TiO2導(dǎo)帶并進入電極，最后通過外電路產(chǎn)生光電流。TiO2膜通常制成海綿狀納米多孔膜，以保證TiO2膜具有較大的比表面積，產(chǎn)生較高的光吸收效率。染料光敏化劑一般選用羧酸多吡啶釕、磷酸多吡啶釕、多核聯(lián)吡啶釕等金屬有機染料，化學(xué)穩(wěn)定性高，激發(fā)態(tài)壽命長，發(fā)光性能好。第92頁/共111頁93中國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電池，光電轉(zhuǎn)化效率為8.1%。為捕獲更多太陽光，將金/銀納米粒子嵌入薄膜中，增加電池可吸收太陽光的波長范圍，提高光子轉(zhuǎn)化電子效率；進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。XiChen,BaohuaJia,etal,BroadbandEnhancementinThin-FilmAmorphousSiliconSolarCellsEnabledbyNucleatedSilverNanoparticles,nanoletters,/10.1021/nl203463z|NanoLett第93頁/共111頁94核能材料第94頁/共111頁95核能被公認(rèn)是能大規(guī)模取代常規(guī)能源的替代能源。經(jīng)過幾十年的利用和發(fā)展，世界上已有441座核電機組在運行，核電站裝機容量已達到3.68億kW。世界能源消費結(jié)構(gòu)如下表所示，由此可知世界能源的消費結(jié)構(gòu)也正向核能方向傾斜。世界能源消耗結(jié)構(gòu)預(yù)測年代石油天然氣煤核能水電其他197544.018.42.0200035.018.629.410.25.01.8203019.117.033.522.64.03.8第95頁/共111頁96我國能源缺口在很大程度上依靠核能補充。煤和石油的燃燒造成嚴(yán)重環(huán)境污染，我國許多城市污染物濃度達到世界前列。在我國發(fā)展核電事業(yè)具有重要意義。廣東大亞灣核電站浙江秦山核電站第96頁/共111頁97第97頁/共111頁98第98頁/共111頁99裂變反應(yīng)堆材料鈾235或钚239等重元素的原子核吸收一個中子后發(fā)生裂變，分裂成兩個質(zhì)量大致相同的新原子核，同時放出2-3個中子。這些新生中子又引起其它鈾235或钚239原子核裂變，產(chǎn)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。核裂變示意圖第99頁/共111頁100裂變能十分巨大：鈾235原子每次裂變放出約200keV的能量，一個碳原子燃燒時放出的能量為4.1eV，鈾的裂變能是碳燃燒釋能的4.878萬倍。實現(xiàn)裂變反應(yīng)的裝置稱為裂變反應(yīng)堆。