能源材料的论文

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1、能源材料的论文 关于能源材料的论文 新能源是降低碳排放、优化能源结构、实现可持续发展的重要途径, 新能源材料是引导和支撑新能源发展的重要基础, 新能源系统中得到了大量应用。概要介绍了目前在新能源发展过程中发挥重要作用的核用锆合金、镍氢动力电池关键材料及氢质高容量储氢材料等新能源材料的现状及存在问题。 新能源; 氢能; 新能源材料 新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。新能源材料对新能源的发展发挥了重要作用, 一些新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生, 一些新能源材料的应用提高了新能源系统的效率, 新能源材料的使用直接影响着新能源系统的投资与运行

2、成本。本文主要介绍核用锆合金、锂离子电池关键材料、镍氢动力电池关键材料及氢能燃料电池关键材料等新能源材料的现状及存在问题。 目前得到实际应用的储氢材料主要有AB5型稀土系储氢合金、钛系AB型合金和AB2 型Laves相合金, 但这些储氢材料的储氢质量分数低于212%。近期美国能源部将xx年储氢系统的储氢质量分数的目标调整为515% , 目前尚无一种储氢方式能够满足这一要求, 因此必须大力发展新型高容量储氢材料。目前的研究热点主要集中在高容量金属氢化物储氢材料、配位氢化物储氢材料、氨基化合物储氢材料和MOFs等方面的研究。 在金属氢化物储氢材料方面, 北京有色金属研究总院近期研制出Ti32 Cr

3、46 V22 Ce014合金, 其室温最大储氢质量分数可达3165% , 在70 和011 MPa条件下有效放氢质量分数达到215% 35 。目前研究报道的钛钒系固溶体储氢合金, 大多以纯V为原料, 合金成本偏高, 大规模应用受到限制, 因此, 高性能低钒固溶体合金和以钒铁为原料的钛钒铁系固溶体储氢合金的研究日益受到重视。 1997年, Bogdanovic等人发现当以Ti(OBun) 4 为催化剂时, NaAlH4 在中温条件( 100200 )下可实现可逆吸放氢, 其理论储氢质量分数可达516% , 从而掀起了配位氢化物储氢材料的研究热潮。近10年来, 各国学者为提高配位氢化物储氢材料的储

4、氢性能开展了大 量研究, 目前, 添加催化剂的Na2Al2H系氢化物储氢材料在150 下的有效储放氢质量分数已达415%。但仍存在以下问题: 制备条件苛刻、工艺复杂、成本高, 需探索新的低成本合成制备方法; 吸放氢热力学性能差, 需探索新的配位氢化物以改善其放氢热力学性能, 需研发新的催化剂与催化技术, 以提高其催化效率; 催化机理尚不清晰, 还需进一步深入研究材料在吸放氢过程中的动态结构变化、催化原子的占位及其材料的界面特性等, 准确揭示材料的催化吸放氢机理。 xx年, 陈萍等首次报道了在250 条件下金属氨基物L i2N2H的可逆吸放氢质量分数高达615% , 引起了同行研究者对于新型金属

5、氮氢化物储氢材料的极大 _, 但这一材料的吸放氢平台压力偏低, 放氢温度较高。当采用电负性较高的Mg部分替代L i后, 材料的吸放氢温度显著降低, 200 时其储氢质量分数约为510%。随后对于类似的amide2hydride 体系, 如L iNH2- CaH2 , Mg (NH2 ) 2 - NaH, Mg (NH2 ) 2 - CaH2 , Ca(NH2 ) 2 - L iH, 和Mg (NH2 ) 2 - MgH2 等进行了大量研究。最近, 陈萍等又在高容量氨基硼烷化合物储氢材料的研究中取得了新进展, 他们将碱金属氢化物引入NH3BH3 中, 合成的碱金属氨基硼烷化合物, 在90 条件下

6、放氢质量分数高达1019% , 但其可控放氢性能还有待提高。 核反应堆中, 目前普遍使用锆合金作为堆芯结构部件和燃料元件包壳材料。Zr - 2, Zr - 4和Zr - 215Nb是水堆用3种最成熟的锆合金, Zr - 2 用作沸水堆包壳材料, Zr - 4用作压水堆、重水堆和石墨水冷堆的包壳材料, Zr - 215Nb用作重水堆和石墨水冷堆的压力管材料, 其中Zr - 4合金应用最为普遍, 该合金已有30 多年的使用历史。为提高性能, 一些国家开展了改善Zr - 4合金的耐腐蚀性能以及 _新锆合金的研究工作。通过将Sn含量取下限, Fe, Cr含量取上限, 并采取适当的热处理工艺改善微观 _

7、结构, 得到了改进型Zr - 4 包壳合金, 其堆内腐蚀性能得到了改善。但是, _使用证明, 改进型Zr - 4 合金仍然不能满足50GWd / tU以上高燃耗的要求。针对这一情况, 美国、法国和 _等国家 _了新型Zr2Nb系合金, 与传统Zr2Sn合金相比, Zr2Nb系合金具有抗吸氢能力强, 耐腐蚀性能、高温性能及 _性能好等特性, 能满足60GWd / tU甚至更高燃耗的要求, 并可延长换料周期。这些新型锆合金已在新一代压水堆电站中获得广泛应用, 如法国采用M5合金制成燃料棒, 经在反应堆内辐照后表明, 其性能大大优于Zr - 4合金, 法国法玛通公司的AFA3G燃料组件已采用M5合金

8、作为包壳材料。 随着我国核电的快速发展, 锆合金 _材的需求量将大幅度增长。目前, 我国现有核电站每年仅更换核燃料组件就需锆合金管材100 多吨。到2020 年, 按核能发电总容量70 106 kW 计, 仅考虑新建反应堆首炉装料, 其锆合金 _材一次性投入量将达2 000 t, 同时考虑堆内核燃料组件的每年更换, 锆合金 _材用量将稳定在1 000 t/a左右。制备技术。国核宝钛锆业股份公司以核电锆合金 _材国产化为目标, 从国外引进了全套锆合金管材生产装备, 使我国生产锆合金 _材的装备水平达到了20世纪90年代国际先进水平。 _高泰稀 贵金属股份有限公司也建立了一条锆管材生产线。通过对引

9、进设备的消化、吸收及再创新, 2条生产线已形成年产615 105 m成品锆管的生产能力。 随着我国核电的快速发展, 锆合金 _材的需求量将大幅度增长。目前, 我国现有核电站每年仅更换核燃料组件就需锆合金管材100 多吨。到2020 年, 按核能发电总容量70 106 kW 计, 仅考虑新建反应堆首炉装料, 其锆合金 _材一次性投入量将达2 000 t, 同时考虑堆内核燃料组件的每年更换, 锆合金 _材用量将稳定在1 000 t/a左右。 我国是世界上少数几个掌握锆合金 _材生产技术的国家之一, 自主研制的Zr - 4合金已成功应用于秦山核电站 _工程。但目前我国核级锆合金 _材生产还没有形成完

10、整的工业体系, 与国外先进水平相比仍存在较大差距, 具体表现在: 尚未突破生产核级海绵锆的关键工艺流程, 核级海绵锆的生产处于停滞状态, 国产核级海绵锆的供应不足影响了锆材生产。虽然我国将引进美国华昌公司锆铪分离技术, 但这一技术仍存在着严重的环境污染隐患; 新锆合金的 _和使用滞后于核电站的应用需求, 对于锆铌系合金, 我国仍处于研究中试阶段, 缺乏堆内的考核试验数据; 目前锆管生产工艺流程中仍存在着一些严重影响质量、寿命和安全性的问题。 实现SOFC的中低温运行有两条主要途径: 继续采用传统的YSZ电解质材料, 将其制成薄膜, 减小电解质厚度, 以减小离子传导距离, 使燃料电池在较低的温度

11、下获得较高的功率输出; _新型的中低温固体电解质材料及与之相匹配的电极材料和连接板材料。YSZ电解质过度 薄膜化不利于电池的放大和规模化制作, 因此YSZ并不适用于低温SOFC ( 600 以下)的电解质。目前在低温SOFC中应用较多的电解质材料是掺杂氧化铈(DCO) (包括SDC, GDC, YDC)和Sc掺杂的氧化锆( SSZ)。采用廉价的陶瓷工艺, 可以制备出约10m厚的致密DCO薄膜, 该薄膜500 时的面电阻为011cm2 左右。与此同时, 还 _出一些与DCO相匹配的高性能电极材料(特别是阴极) , 通过优化电极结构(特别是阳极基体) ,使得电池性能有了一定的提高。 在SOFC中碳

12、氢燃料可通过内重整得到H2 和CO,随后H2 和CO在阳极上分别氧化为H2O和CO2 , 同时产生电能和高温热能。内重整可以提高效率, 简化系统, 降低成本, 但直接内重整易在Ni阳极上产生碳沉积, 导致电池活性快速下降。因此, 阳极必须具有 _ 的抗积碳能力。阴极材料的欧姆损失约占整个中温SOFC系统欧姆损失的65%。若进一步降低SOFC的运行温度, 将引起阴极的极化过电位和界面电阻的进一步增大。因此, 研制与中温电解质材料相匹配的新型阴极材料是 _中温SOFC的前提和基础 46 。有些阴极材料在CO2 气氛中的化学稳定性较差, 应研究 _能稳定工作的抗CO2 阴极材料。 镍氢电池是我国具有

13、较强资源优势的高科技产品,在国际市场具有较强的竞争优势。xx年, 我国出口镍氢电池9 108 只, 超过 _成为镍氢电池的第一生产大国, 确立了我国作为世界镍氢电池生产 _的战略地位。镍氢动力电池已进入成熟期, 在商业化、规模化应用的混合动力汽车中得到了实际验证, 全球已经批量生产的混合动力汽车大多采用镍氢动力电池。目前技术较为领先的是日Panasonic EV Energy公司,其 _的电池品种主要为615 Ah电池, 形状有圆柱型和方型两种形式, 电池比能量为45 Wh /kg, 比功率达到1 300W /kg。采用镍氢动力电池的Prius混合动力轿车在全球销售约120万辆, 并已经受了1

14、1 年左右商业 运行考核。随着Prius混合动力轿车需求增大, 原有的镍氢动力电池的产量已不能满足市场需求, Panaso2nicEV Energy公司正在福岛县新建一条可满足106台/a电动汽车用镍氢动力电池的生产线, 计划3 年后达产。 目前镍氢电池所采用的正极材料均为球型Ni(OH) 2 , 镍氢动力电池正极材料的研发重点是改善高温条件下高倍率充放电效率及其可靠性, 主要方法为调整材料组分, 掺杂稀土氧化物及其进行颗粒表面修饰等。此外, 还开展了材料的低维化研究以提高材料的震实密度及质子的扩散速率, 通过金属置换、嵌入式双氢氧化物和C /Ni (OH) 2 复合正极材料的研究以增加电极反

15、应电子转移数, 提高材料比容量等。 催化剂是质子交换膜燃料电池的关键材料之一, 对于燃料电池的效率、寿命和成本均有较大影响。在目前技术水平下, 燃料电池中Pt的使用量为1115 g/kW, 当燃料电池汽车达到106 辆的规模(总功率4 107 kW)时, Pt的用量将超过40 t, 而世界Pt族金属总储量仅56 000 t, 且主要集中于南非( 77% ) 、 _( 13% )和北美(6% )等地, 我国本土 的铂族金属矿产资源非常贫乏, 总保有储量仅310 t。铂金属的稀缺与高价已成为燃料电池大规模商业化应用的瓶颈之一。如何降低贵金属铂催化剂的用量, _非铂催化剂, 提高其催化性能, 成为当前质子交换膜燃料电池催化剂的研究重点。 “十五”以来, 我国在质子交换膜燃料电池的研发方面投入较大, 但重点集中于燃料电池发动机系统集成, 目前研发电池所用的催化剂、质子交换膜和碳纸等关键材料仍主要依赖进口。近年来, 在国家各类计划的支持下, 燃料电池催化剂的研究取得了一定进步。常规的Pt/C, PtRu /C催化剂的制备技术取得了一些突破,但尚未形成了稳定的批量供应能力, 同时在抗中毒催化剂、低铂催化剂、非铂催化剂以及催化剂的回收和再生技术等方面的研究工作尚需加强。 _新能源是降低碳排放、优化能源结构、实现人类社会