第一章 新能源材料导论

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1、中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院新能源材料胡国荣胡国荣 教授教授中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院第一章 绪论v一，课程背景 v二，课程内容 v三，新能源概述3.1 能源现状及问题3.2 绿色技术3.3 新能源概念3.4 新能源材料3.5 新能源器件3.6 新能源材料与器件的发展 新能源材料是国家战略性新兴产业，战略性 新兴产业是新兴技术和新兴产业的深度融合 ，既代表着科学技术创新的方向，也代表着 产业发展的方向，已经成为推动产业结构升 级和引领社会进步

2、的根本动力。 新能源是世界经济发展中最具决定性影响的 五大领域之一（信息、生物、新材料、新能 源、空间技术）。一.课程背景新能源材料新能源材料能源能源 危机危机材料材料 发展发展环境环境 污染污染资源资源 紧缺紧缺战略新兴产业：新能源、新材料、新能源汽车一.课程背景新能源技术 促进和谐发展 推动低碳经济一一 课程背景课程背景可持续发展的要求可持续发展的要求能源和材料是人类社会赖以生存和发展的最重要物质基础。 随着人类发展和社会工业化进程的推进，与人类休戚相关的石油 、天然气和煤等传统能源日益减少，随之而来的环境污染日益严 重，威胁着人类的可持续发展。人类社会要实现可持续发展战略 ，保护自然环境

3、与资源，必须发展新材料和新能源技术。 能源的转化与储存在充分利用地球资源，实现人类可持续发展、 推动低碳经济方面起着重要的作用。前言低碳生活发展清洁可再生能源实现清洁能源的高效利用风能太阳能动力型超级电容器 锂动力电池组一.课程背景面临任务研发环境友好、清洁高 效的新能源材料与器件 成为能源领域的主旋律 。能潜水30分钟的手机比亚迪比亚迪F6F6新能源器件发明:D.M.Chapin, C. S. Fuller, G. L. Pearson，1954, Bell Lab；发展：从硅片到薄膜；从单个组件到系统；从屋顶到光伏建筑集成 新能源器件9 二二. . 课程教学内容课程教学内容v 本课程集中讲

4、述当今主流新能源材料与器件的发展概况 ，内容涉及各类新能源材料的基本原理、基本结构和性 能等，重点介绍锂离子二次电池、太阳能电池、燃料电 池、超级电容器等器件及关键材料的应用和发展前景。v 参考书目： v 新能源材料 陈军 编著 v 新能源材料 艾德生 编著 v 新能源技术 翟秀静 编著 v 新能源材料及应用张淑谦 v 10 三、新能源概述三、新能源概述3.1 能源 1. 基本概念 能量形式: 机械能(风能、水能等)、电磁能、热能、化学能、原子能、光能。 能源: 自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。关于能源的定义，说法较多。科学技术百科全书： “能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资

5、源” ；大英百科全书：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语 ，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；日本大百科全 书：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功， 可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国能源 百科全书：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一 形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换 的能量的源泉。 11 2.能源种类 ： 按形成方式可分为：一次能源，即可供直接利用的能源，如煤 、石油、天然气、风能、太阳能等；二次能源，即由一次能源 直接或间接转换而来的能源，如电、蒸

6、汽、煤气、氢等，它们 使用方便，易于利用，是高品质的能源。按循环方式可分为：可再生能源，即不会随它本身的转化或人 类的利用而越来越少，如风能、生物质能、太阳能、氢能等； 非再生能源，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然 气、核燃料等。按环境保护的要求可分：清洁能源（绿色能源，如太阳能、氢 能、风能、化学能源等）和非清洁能源（如，化石燃料）按对被利用的程度分：常规能源，被广泛利用的能源如煤、石 油、水力、电能；新能源，如太阳能、氢能、地热能、生物质 能等，另外还有核能。三、新能源三、新能源能源利用与开发能源利用与开发太阳能化石能源风能水能核能地热能化学能源3. 能源现状与问题 人类社会的发

7、展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当 今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问 题，也是我国社会经济发展的重要问题。非再生能源: 石油、天然气、煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的85% 左右（全世界为90%） 再生能源: 水力、太阳能、风能等只占15%左右。2050年争取达到50%。各种能源的消费比例图:左图为我国能源结构；右图为世界能源分布图再生能源分布: 太阳能占99%以上, 风能、地热能、生物质能等不到1% 人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发 展的能源保证。 非水可再生能源（风能、太阳能、地热能、潮汐能、波浪能、 以及生物能）的发电量会

8、从2007年的2.5%增长至2030年的8.6% 。无穷大无穷大约约4545年年约约15 15 约约6161年年约约3030约约230230年年约约8181约约7171年年 约约5050我国各种能源探明储量（以储采比表示）与我国各种能源探明储量（以储采比表示）与 世界比较世界比较摘自摘自“ “光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑 战战” ” 论文集论文集 20042004年年4 4月月8 8日，日， 北京北京 P8P80 05050100100150150200200250250300300太阳能太阳能石油石油天然气天然气煤煤铀铀世界世界 中国中

9、国能源问题矿物能源面临枯竭能源危机与能源安全是当前世界各国面临的严峻挑战 改善能源结构，实现能源多元化是国家发展的必然选择!利用能源的过程直接污染地球环境。 主要来源： 1) 煤、石油等燃料的燃烧； 2) 汽车排放的废气；3) 工业生产(化工厂、炼焦厂等)过程中产生的废气。 大气污染： 1) 酸雨问题； 2) 温室效应； 3) 臭氧层破坏。能源问题 环境污染温室效应温室气体含量与来源由于人类大量大量使用化石燃料，其排放出的CO2CO2等温室气体对辐射的 选择性和吸收特性是使地球变暖的主要原因。世界十大严重污染城市中国占 ：个7燃煤污染物 所占比列SO285%CO2 85% NOx60% 粉尘7

10、0%污污 染染 现现 状状城市污染源5090%为汽车 排气污染（CO、HC、NOX ）19 3.2 绿色技术v 随着世界人口剧增，常规能源的日益匮乏及大量污染物的排放又 进一步加剧了人类生态环境的恶化。为此，人类需要来寻求一种 新的技术体系，以实现 人类的可持续发 展。绿色技术应 运而生 ，是指能减少污染、降低消耗和改善生态的技术体系。尽量设 计没有或者只有尽可能小的环境负作用的产品，并且在技术上 和经济 上可行的生产和应用过程。它使所研究开发得产品和过 程对环 境更加友好，是实现污 染预防的基本的和重要的科学手 段。 v 绿色技术主张在通过化学转换获 取新物质的过程中充分利用每 个原子，具有

11、原子经济 性，因此它既能够合理利用资源和能源， 又能够实现 防止污染。绿色技术是人类用能源危机和环境污染的巨大代价换来的新 认识、新思维、新科学体系。其根本点是从源头上防止污染 的生成，实现人和生态社会的和谐发展。 应用时所遵循的原则： （1）防止环境污染； （2）提高原子经济性； （3）尽量减少化学合成中的有毒原料和有毒产物； （4）设计安全的化学品； （5）使用安全的溶剂和助剂； （6）提高能源经济性； （7）原料的再利用； （8）减少官能团的引人； （9）新型催化剂的开发； （10）产物的易降解性； （11）以降低环污染为宗旨的现场实际分析; （12）防止生产事故的安全生产工艺。原料能够

12、摆脱化原料能够摆脱化 石燃料的限制石燃料的限制使用过程无排使用过程无排 放污染放污染绿色电池能源绿色电池能源 转换过程不受转换过程不受 热力学卡诺循热力学卡诺循 环限制环限制绿色新能源的特点与优势 绿色技术在能源领域引发的产业革命正如火如荼： 大力发展高效清洁的新能源及其先进能源材料的研究以替 代化石能源，改善能源结构、实现能源多元化。n政府相继出台了针 对新能源的扶持政 策及远景规划，决 定综合采取财政补 助、科技支持和市 场拉动的方式，加 快本国新能源产业 的产业化和规模化 发展。n各主要经济体计划 在2020 年将可再生 能源的比重提高至 15-20%左右。全球主要经济经济 体的新能源发

13、发展和减排目标标经济经济体新能源规规划和碳减排目标标欧盟未来10年至少投资500亿欧元用于清洁能源的研发； 2020年实现清洁能源占能源结构20%；2020年将其温 室气体排放量在1990 年基础上减少20%，到2050年实 现温室气体减排80%。美国未来10年向清洁能源领域投资1500亿美元；2015年以 前投放100万辆混合动力车；可再生能源发电比例在 2012年达到10%，在2025年达到25%；2020年温室气体 排放量在2005年的基础上减少17%。日本2020年清洁能源消费占比提高到20%，其中除了太阳 能发电和生物燃料外，还包括热泵装置；到2020年太 阳能发电量提高到现在的20

14、倍；到2020年将排放量较 2005年水平降低15%。中国至2020年新能源总投资预计 达4.5万亿元人民币,拉 动全社会总投资9万亿元；可再生能源占总能源消耗 比例提高到15%；单位GDP二氧化碳排放比2005年下降 40%-45%。资料来源: 交银国际PV核能欧洲联合研究中心对未来能源发展预测欧洲联合研究中心对未来能源发展预测无论如何强调新能源和可再生能源的发展意义都不过分。 太阳能氢能风能1.基本概念n新能源是相对常规能源而言的，一般指以采用新技术和新材 料而获得的，在新技术基础上系统开发利用的能源。包括太 阳能、生物质能、化学能源、风能、地热能、海洋能、潮汐 能，以及氢能、沼气、酒精、

15、甲醇等。随着常规能源的有限 性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特征的新能 源越来越得到各国的重视。 n新能源具有资源可持续、清洁、分布均衡等特点，必将成为 未来可持续能源系统的支柱。n新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段， 也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持 续发展需要的最终能源选择。 3.3 3.3 新能源的概念新能源的概念2.2.新能源分类新能源分类常见绿色新能源常见绿色新能源太阳能太阳能风能风能生物质能生物质能核能核能化学能源化学能源到“十二五”期末，新能源所占比重应该达到12%13% 到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电 在电网总发电

16、量中的比例达到3以上。n太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，人类通过光热转换技 术，光电转换技术和光化转化技术实现了热发电、蓄热、光伏发电和光 化学发电等利用形式。目前太阳能的开发还存在转换效率、成本和使用 寿命等系列问题。n氢能以质量轻、传热高、清洁和来源广等特点展示着诱人的开发前景。 氢能的制备、储存和利用是世界各国的研究热点，氢能的制备和贮存距 离大规模利用还有一定距离。n核能是清洁能源之一，和平利用核能为全球所关注。核能包括核裂变和 核聚变。人类已实现对核裂变的控制和利用，但尚未实现可控的核聚变 反应。n生物质能是绿色能源，科学家们预计将成为未来可持续新能源系统的重 要组成部分。生物质气化技术、生物质液化技术、生物质固化技术和生 物质发电技术等的开发和应用是世界各国的研究热点。n风能是太阳热辐射引起的大气流动的动能，是可再生的清洁能源，风力 发电是风能利用的主要领域；海洋能、地热能和可燃冰都是巨大的能源 。积极开发科学研究，提供开发技术，是实现可持续发展的需要。