第七章 新能源材料

第七章新能源材料第一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四第七章新能源材料

能源應(yīng)用情況概述新型二次電池材料燃料電池材料第二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四能源分類能源分類一次能源二次能源(經(jīng)轉(zhuǎn)換或提煉）可再生能源非再生能源風(fēng)能，水能，太陽(yáng)能，地?zé)?，海洋能，生物能化石燃料（煤，石油，天然氣）鈾電能，氫能，汽油，柴油等第三?yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四(1)人類社會(huì)對(duì)能源的需求不斷增加。能源是與人類社會(huì)的生存與發(fā)展休戚相關(guān)的。人類社會(huì)的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加。7.1能源應(yīng)用現(xiàn)狀表1世界一次能源消費(fèi)的增長(zhǎng)率第四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四(2)能源結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。表2世界一次商品能源構(gòu)成第五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四(3)能源應(yīng)用形態(tài)有所改變。

小型的可移動(dòng)電源的需求量增長(zhǎng)很快，這主要是信息技術(shù)發(fā)展的結(jié)果；特別是近年來(lái)筆記本電腦、手提電話等移動(dòng)通信、攝像機(jī)、聲像設(shè)備以及一些軍用電子設(shè)備的發(fā)展，對(duì)電池的能量密度要求更高，并要求能夠反復(fù)使用。因此促進(jìn)了高容量二次電池的發(fā)展。第六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四(4)礦物能源面臨枯竭。（1992世界能源大會(huì)）石油/年天然氣/年煤/年鈾/年世界495726260中國(guó)236110230第七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四(5)礦物燃燒造成環(huán)境污染。（SO2、CO、CO2、NO）

（植被、土壤；氣候；健康）圖2世界CO2排放量隨時(shí)間的變化第八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四

(6)新能源的開(kāi)發(fā)不斷取得進(jìn)展

太陽(yáng)能、生物能、核能、風(fēng)能、地?zé)?、海洋能等一次能源和二次能源中的氫能?/p>

新能源的開(kāi)發(fā)一方面靠利用新的原理來(lái)發(fā)展新的能源系統(tǒng)，另一方面靠材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，使新系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并提高效率，降低成本。第九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四(7)新材料的幾個(gè)作用：新材料把原來(lái)習(xí)用已久的能源變?yōu)樾履茉础?/p>

如：半導(dǎo)體材料把太陽(yáng)能有效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蝗剂想姵啬苁箽渑c氧反應(yīng)而直接產(chǎn)生電能，代替過(guò)去利用氫氣燃料獲得高溫。一些新材料可提高儲(chǔ)能和能力轉(zhuǎn)化效果

如：鎳電池、鋰離子電池等都是靠電極材料的儲(chǔ)能效果和能量轉(zhuǎn)化功能而發(fā)展起來(lái)的新型二次電池。

第十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四

新材料決定著核反應(yīng)堆的性能與安全性。材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作、加工工藝決定著投資與運(yùn)行成本。

如：太陽(yáng)電池材料決定著光電轉(zhuǎn)換效率；燃料電池的電極材料決定著電池的質(zhì)量和壽命；材料的制備工藝又決定著能源的成本。第十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四(8)能源材料的概念及分類

廣義上，凡能源工業(yè)及能源利用技術(shù)所需的材料都可稱為能源材料。新能源材料－如增殖堆用核材料、太陽(yáng)能電池材料節(jié)能材料－如非晶態(tài)金屬磁性，超導(dǎo)材料。儲(chǔ)能材料－如貯氫（吸氫）材料，高比能電池材料第十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.2新型二次電池材料一次電池：充、放電過(guò)程不可逆。二次電池：充、放電過(guò)程是可逆的；放電時(shí)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生電能；充電時(shí)通過(guò)反向電流將電能以化學(xué)能形式重新儲(chǔ)存起來(lái)。第十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四新型的二次電池：

鉛酸電池和鎘鎳電池是早已廣泛應(yīng)用的二次電池，但是比能量都很低；另外，鉛和鎘都是有毒金屬，對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題嚴(yán)重。新型的二次電池性能優(yōu)良，可循環(huán)使用，對(duì)環(huán)境的污染較小，避免了上述弊病。第十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四表5

Ni/Cd、Ni/MH、LIB電池的主要性能對(duì)比第十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四新型二次電池發(fā)展的推動(dòng)力：天然能源（石油、煤）在不斷消耗。環(huán)境保護(hù)的呼聲愈來(lái)愈高。（無(wú)毒、無(wú)污染）信息技術(shù)的發(fā)展要求電池小型化、輕型化、長(zhǎng)的服務(wù)時(shí)間和工作壽命。航天領(lǐng)域（如衛(wèi)星用電）和現(xiàn)代化武器（軍事通信設(shè)備）對(duì)輕質(zhì)高能二次電池的需求迫切。第十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四新型二次電池的研究重點(diǎn)：1）儲(chǔ)氫材料及金屬氫化物鎳電池；2)鋰離子嵌入材料及液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池；3)聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。

第十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.2.2Ni／MH二次電池產(chǎn)生：20世紀(jì)60年代末，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)氫合金。1974年開(kāi)始儲(chǔ)氫合金作為二次電池的負(fù)極材料的研究。1984年解決了合金沖放電過(guò)程中容量迅速衰減的問(wèn)題。1987年試生產(chǎn)。第十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四1）工作原理第十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四可以看出：利用氫的吸收和釋放的電化學(xué)可逆反應(yīng)；正電極采用氧化鎳物質(zhì)，負(fù)電極采用吸收氫的合金；電解質(zhì)由水溶液組成，其主要成分為氫氧化鉀。KOH電解質(zhì)不僅起離子遷移電荷作用，而且參與了電極反應(yīng)。第二十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四2）電極材料正極材料—球形Ni(OH)2正極材料Ni(OH)2是涂覆式Ni／MH電池正極使用的活性物質(zhì)。電極充電時(shí)Ni(OH)2轉(zhuǎn)變成NiOOH，Ni2+被氧化成Ni3+放電時(shí)NiOOH逆變成Ni(OH)2，Ni3+還原成Ni2+。第二十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四

負(fù)極材料－儲(chǔ)氫合金(MH)

用于Ni／MH電池負(fù)極材料的儲(chǔ)氫合金應(yīng)滿足下述條件：(a)電化學(xué)儲(chǔ)氫容量高；(b)在熱堿電解質(zhì)溶液中合金組分的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定；(c)反復(fù)充放電過(guò)程中合金不易粉化；(d)合金應(yīng)有良好的電和熱的傳導(dǎo)性；(e)原材料成本低廉。第二十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四3）結(jié)構(gòu)圓柱形Ni／MH電池的結(jié)構(gòu)示意第二十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圖8Ni／MH電池典型的溫度曲線第二十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四4）發(fā)展優(yōu)勢(shì)

(a)能量密度高；(b)無(wú)鎘污染，是綠色電池；(c)可以大電流快速充放電；(d)Ni／MH電池的工作電壓也是1.2V，與Ni／Cd電池具有互換性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在小型便攜式電子器件中獲得了廣泛應(yīng)用，在電動(dòng)工具、電動(dòng)車也正在逐步得到應(yīng)用。第二十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四使用鎳氫電池的電動(dòng)助力車綠色環(huán)保的鎳氫電池第二十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.2.3鋰離子二次電池（簡(jiǎn)稱鋰電池）

（1)工作電壓3.6V與重量能量密度優(yōu)于常用的鎳鎘電池(Ni/Cd)與Ni/MH電池；（2)無(wú)環(huán)保問(wèn)題(金屬含量最低)；（3)薄形化及形狀有高度的可塑性，符合電子產(chǎn)品輕、薄、短、小的要求。被人們稱為“綠色環(huán)保能源”和“跨世紀(jì)的能源革命”，是照相機(jī)、手機(jī)、筆記本電腦等各種電子器件的理想電源。第二十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四(1)

工作原理正極反應(yīng)LiCoO2→CoO2+Li++e負(fù)極反應(yīng)Li++e+C6→LiC6電池反應(yīng)LiCoO2+C6→CoO2+LiC6充電時(shí)：鋰離子從正極中脫嵌，通過(guò)電解質(zhì)和隔膜，嵌入到負(fù)極中；放電時(shí)：鋰離子由負(fù)極中脫嵌，通過(guò)電解質(zhì)和隔膜，重新嵌入到正極中。第二十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四

鋰電池的正負(fù)極反應(yīng)是一種典型的嵌入反應(yīng)，因此鋰電池又稱為搖椅電池，意指電池工作時(shí)鋰離子在正負(fù)極之間可以搖來(lái)?yè)u去。由于鋰離子在正、負(fù)極中有相對(duì)固定的空間和位置，因此電池充放電反應(yīng)的可逆性很好，從而保證可電池的長(zhǎng)循環(huán)壽命和工作的安全性。NOKIA手機(jī)使用的鋰離子電池第二十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四(2)鋰離子電池材料

a）負(fù)極材料

在鋰離子電池的發(fā)展中，其電池負(fù)極材料經(jīng)歷了由金屬鋰到鋰合金、碳材料、氧化物、納米合金的演變過(guò)程，見(jiàn)表7-2。表7-2鋰離子電池電極材料的演變過(guò)程

第三十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四b）正極材料目前鋰離子電池的正極材料以含鋰的過(guò)渡金屬氧化物為主?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的鋰離子電池正極材料為L(zhǎng)iCoO2。比較廉價(jià)的電極材料為L(zhǎng)iNiO2和LiMn2O4，它們正在被廣泛研究并已經(jīng)在電池中試用。第三十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四鋰離子電池正極材料性能比較

第三十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.3燃料電池

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)用燃料和氧氣作為原料，排放出的有害氣體SOx，NOx極少；（2)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，沒(méi)有噪聲污染。（3)從保護(hù)環(huán)境的角度看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

第三十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四

固體氧化物燃料電池（SOFC）被認(rèn)為是最有效率的和萬(wàn)能的發(fā)電系統(tǒng)，特別是作為分散的電站，SOFC可用于發(fā)電、熱電聯(lián)供、交通等許多領(lǐng)域。第三十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.3.1固體氧化物燃料電池（SOFC)固體氧化物燃料電池被認(rèn)為是最有效率的和萬(wàn)能的發(fā)電系統(tǒng),除具有一般燃料電池的優(yōu)點(diǎn)外，還有以下突出優(yōu)點(diǎn)：（1）具有一般燃料電池高效與環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)；（2）全固體的電池結(jié)構(gòu)，避免了因使用液態(tài)電解質(zhì)所帶來(lái)的腐蝕和電解液流失問(wèn)題。第三十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四（3）在高溫下工作，電極反應(yīng)迅速，無(wú)需采用貴金屬電極和催化劑，成本大大降低；（4）排出的高溫?zé)釟饽艹浞掷?，?shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，能量綜合利用效率可達(dá)70%以上（5）燃料適用范圍廣，可用H2，CO，CH4，碳?xì)浠衔镆约捌渌扇紵奈镔|(zhì)（NH3，H2S等）作為燃料發(fā)電原料。第三十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.3.2.固體氧化物燃料電池工作原理

在陰極（空氣電極），氧分子得到電子，被還原成氧離子，即O2+4e→2O2-

氧離子在電池兩側(cè)氧濃度差驅(qū)動(dòng)力的作用下，通過(guò)電解質(zhì)中的氧空位定向躍遷，遷移到陽(yáng)極（燃料電極）上與燃料進(jìn)行氧化反應(yīng)，即2O2-+2H2-4e→2H2O第三十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四7.3.3電池材料

SOFC由陰極（空氣電極）材料、陽(yáng)極（燃料電極）材料、固體電解質(zhì)材料、連接材料四部分組成。

其中，固體電解質(zhì)材料的要求：（1)具有高氧離子電導(dǎo)率和低電子遷移數(shù)外；（2)在高溫以及氧化、還原氣氛中的穩(wěn)定性；（3)與電極材料的化學(xué)相容性和熱膨脹匹配性；（4)足夠的機(jī)械強(qiáng)度，穩(wěn)定的形狀、尺寸，適中的價(jià)格等

第三十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四

7.3.4

燃料電池的應(yīng)用前景（1)燃料電池發(fā)電

以目前容量最大的燃料電池發(fā)電廠為例，當(dāng)使用天然氣為燃料時(shí)，不但只排出極其微量的氮化物及二氧化硫，而且其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40％以上。若再配合熱電聯(lián)供技術(shù)，利用所回收的廢熱，則效率可超過(guò)80％，且發(fā)電廠的噪聲低于55dB。第三十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四

新型燃料電池能使筆記本電腦連續(xù)運(yùn)行40小時(shí)，比一般鋰電池壽命高10倍。

燃料電池與常規(guī)電池不同，無(wú)須充電，但需要充氫來(lái)保持正常運(yùn)行。

（2)燃料電池用于筆記本電腦第四十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四（3)燃料電池用于電動(dòng)汽車

世界各大汽車公司都在加緊研究開(kāi)發(fā)零排放的綠色能源汽車，這是由于3方面的推動(dòng)：保護(hù)環(huán)境、石油匱缺和尾氣排放政策。

1990年，美國(guó)清潔空氣法首次提出電動(dòng)汽車概念，認(rèn)為燃料電池將最終成為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源。

2002.12.4日本首臺(tái)燃料電池汽車上市。將氫氣填充在車內(nèi)配置的高壓罐內(nèi)，充滿1次即可行駛大約300公里，最高時(shí)速可達(dá)155公里。第四十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四我國(guó)首條氫燃料電池公交示范線，2006年6月開(kāi)始運(yùn)行于北京中關(guān)村附近，票價(jià)2元。由奔馳公司生產(chǎn)，每輛價(jià)值180萬(wàn)美元。第四十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四美國(guó)通用汽車展示了新型燃料電池車“Hydrogen3”