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1、1新能源材料新能源材料 New Energy Materials 张景璋材料加工工程2主要分类主要分类太阳能电池材料太阳能电池材料储氢材料储氢材料新型二次电池材料新型二次电池材料 燃料电池材料燃料电池材料核能材料核能材料 3能能源源是是人人类类社社会会生生存存和和发发展展的的重重要要物物质质基基础础, ,是是现现代代文明的三大支柱之一文明的三大支柱之一。目目前前，世世界界能能源源消消耗耗还还是是以以煤煤、石石油油、天天然然气气之之类类的的矿矿物物能能源源为为主主，不不但但严严重重破破坏坏生生态态环环境境，而而且且矿矿物能源不可再生物能源不可再生，能源枯竭能源枯竭已成为共识。已成为共识。 煤炭开
2、采煤炭开采海上石油开采平台海上石油开采平台严重的生态破坏严重的生态破坏4生态环境严重破坏：生态环境严重破坏：19521952年年1212月，伦敦月，伦敦烟雾烟雾；酸雨；酸雨；河流河流干涸；干涸；56巨大的能源危机：巨大的能源危机：已开采已开采800800亿吨石油，按现在的开采速度，亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明地球上已探明的的17701770亿吨亿吨石油石油储量储量仅够开采仅够开采5050年年; ;已探明的已探明的173173万亿立方米万亿立方米天然气天然气仅够开采仅够开采6363年年；已探明的已探明的98279827亿吨亿吨煤炭煤炭还可用还可用300300年到年到400 400
3、年年; ;已探明的已探明的铀铀储量约储量约490490万吨，万吨，钍钍储量约储量约275275万吨，全球万吨，全球441441座座核电站每年消耗核电站每年消耗6 6万多吨浓缩铀，万多吨浓缩铀，仅够使用仅够使用100100年左右年左右。 世界各国世界各国水能水能开发也已近饱和，开发也已近饱和，风能、太阳能风能、太阳能尚无法满足尚无法满足人类庞大的需求。人类庞大的需求。7我国作为发展中大国，我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用率能源消耗巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。不高，能源结构也不合理。20092009年，年，中国风力发电量达到了中国风力发电量达到了25.825.8亿瓦亿瓦，超过
4、了德国，超过了德国的的25.7725.77亿瓦，仅次于美国亿瓦，仅次于美国3535亿瓦；亿瓦；20202020年，中国将投入足以实现年发电量年，中国将投入足以实现年发电量150150亿瓦的风力亿瓦的风力涡轮机，涡轮机，成为世界最大的风能生产国成为世界最大的风能生产国。尽管在新能源领域有了大规模的增长，尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只但风力发电量只占据中国电力消耗总量的占据中国电力消耗总量的1% 1% 。8为为缓缓解解和和解解决决能能源源危危机机，科科学学家家提提出出资资源源与与能能源源最最充分利用技术充分利用技术和和环境最小负担技术环境最小负担技术。新能源与新能源材料新能源与新
5、能源材料是两大技术的重要组成部分。是两大技术的重要组成部分。新新能能源源的的发发展展必必须须靠靠利利用用新新的的原原理理来来发发展展新新的的能能源源系系统统，同同时时还还必必须须靠靠新新材材料料的的开开发发与与利利用用才才能能使使新新系统得以实现系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。，并提高其利用效率，降低成本。 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。9新能源包括新能源包括太阳能太阳能生物质能生物质能核能核能风能风能地热地热海洋能海洋能氢能氢能太阳能太阳能氢能氢能风能风能潮汐能潮汐能地热地热核能核能10新新能能源源材材料料是是指指能能实实现现新新能能
6、源源的的转转化化和和利利用用以以及及发发展展新新能能源技术所需的关键材料源技术所需的关键材料，主要包括：，主要包括：硅半导体为代表的太阳能电池材料硅半导体为代表的太阳能电池材料储氢合金为代表的储氢材料储氢合金为代表的储氢材料锂离子电池为代表的二次电池材料锂离子电池为代表的二次电池材料质子交换膜电池为代表的燃料电池材料质子交换膜电池为代表的燃料电池材料铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料-11主要特点主要特点新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源；新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量转换新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量
7、转换；新能源材料可以增加能源利用的新途径。新能源材料可以增加能源利用的新途径。内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站太阳能热水器太阳能热水器12太阳能电池材料太阳能电池材料13太阳能在未来能源结构中占有重要地位太阳能在未来能源结构中占有重要地位地地球球上上一一年年接接受受的的太太阳阳能能总总量量为为3.8103.8101818kWkW，远远大大于于人类对能源的需求量；人类对能源的需求量；分布广泛，不需要开采和运输；分布广泛，不需要开采和运输；不存在枯竭问题，可以长期利用；不存在枯竭问题，可以长期利用；安全卫生，对环境无污染等。安全卫生，对环境无污染等。人造卫星上的太阳
8、能电池人造卫星上的太阳能电池14西班牙塞维利亚太阳能发西班牙塞维利亚太阳能发电站电站欧洲最大的太阳能欧洲最大的太阳能电站，可供电站，可供1818万户使用，万户使用，每年减排每年减排6060万吨万吨COCO2 2槽式太阳能蝶式太阳能16通通过过光光电电转转化化将将太太阳阳辐辐射射能能转转化化为为电电能能加加以以利利用用是是太阳能利用中最活跃的研究领域。太阳能利用中最活跃的研究领域。清华大学电力国家重点实验室清华大学电力国家重点实验室太阳能电池开发综合利用系统太阳能电池开发综合利用系统17太阳能光电转化的核心装置是太阳电池太阳能光电转化的核心装置是太阳电池。太阳电池的工作原理是太阳电池的工作原理是
9、光伏效应光伏效应：太阳光照在半导体：太阳光照在半导体p-np-n结上，形成空穴结上，形成空穴- -电子对，在电子对，在p-np-n结内建电场的作结内建电场的作用下，光生空穴流向用下，光生空穴流向p p区，光生电子流向区，光生电子流向n n区，接通电区，接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。原理。光伏效应示意图光伏效应示意图太阳能电池太阳能电池P型半导体N型半导体19全球最大规模的光伏太阳能发电全球最大规模的光伏太阳能发电项目项目鄂尔多斯市政府与美国鄂尔多斯市政府与美国first solarfirst solar公司共建公司共建2
10、0002000兆瓦兆瓦太阳能光伏发电厂太阳能光伏发电厂20世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中心等永久建世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中心等永久建筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过4.684.68兆瓦兆瓦的太阳能电池，每年能减排二氧化碳的太阳能电池，每年能减排二氧化碳40004000吨。吨。主题馆屋面太阳能板面积达主题馆屋面太阳能板面积达3 3万多平方米，万多平方米，是目前世是目前世界最大的单体面积太阳能屋面界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量，年发电量280280万度，万度，每年减排二氧化碳每年减排二氧化碳28002800吨，节约标准煤吨，节约标
11、准煤10001000多吨。多吨。 世博中国馆世博中国馆世博主题馆世博主题馆2120192019年年5 5月，世界首架月，世界首架无污染太阳能飞机无污染太阳能飞机进行跨国进行跨国飞行飞行( (从瑞士飞抵布鲁塞尔需从瑞士飞抵布鲁塞尔需1313小时小时) )，飞行高度可飞行高度可达达87008700米米，平均飞行速度为平均飞行速度为70-12070-120公里公里/ /小时小时。用用超轻碳纤维材料超轻碳纤维材料制成，总重制成，总重1.61.6吨，由吨，由4 4台小型电台小型电力发动机驱动，力发动机驱动，机翼配备机翼配备1.21.2万个太阳能电池板，万个太阳能电池板，翼展长度大约翼展长度大约6464米
12、米。 22晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池晶晶体体硅硅太太阳阳电电池池是是以以硅硅半半导导体体材材料料制制成成的的大大面面积积pnpn结结，在在p p型型硅硅片片上上制制作作很很薄薄的的掺掺杂杂n n型型层层，在在n n型型层层上上制制作作金金属属栅栅线线作作为为正正面面接接触触电电极极，在在背背面面制制作作金金属属膜作为背面接触电极。膜作为背面接触电极。晶晶体体硅硅太太阳阳电电池池具具有有性性能能稳稳定定、资资源源丰丰富富、无无毒毒性性等优点等优点，是目前市场上的主导产品。，是目前市场上的主导产品。单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池23非晶硅太阳电池非晶硅太阳电
13、池非非晶晶硅硅太太阳阳电电池池是是以以非非晶晶硅硅为为基基体体的的薄薄膜膜太太阳阳电电池池，电电池池效效率率已已达达到到1313；世世界界总总组组件件生生产产能能力力达达到到每每年年50MW50MW，应应用用规规模模从从手手表表、计计算算机机等等消消费费品品用用电电源源发展到兆瓦级的独立电站。发展到兆瓦级的独立电站。非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池24化合物太阳能电池化合物太阳能电池化化合合物物太太阳阳电电池池所所用用材材料料包包括括II-VIII-VI族化合物和族化合物和III-VIII-V族化合物族化合物。II-VIII-VI族族化化合合物物包包括括CdTeCdTe和和CdSCdS等等，制
14、制成成的的薄薄膜膜太太阳阳电电池池转转换换效效率率高高、成本低、易于大规模生产。成本低、易于大规模生产。III-VIII-V族族化化合合物物包包括括GaAsGaAs和和InPInP等等，可可制制成成薄薄膜膜太太阳阳电电池池，转转换换效效率率高高、抗抗辐辐照照性性能能好好，是是较较理理想想的的空间太阳电池。空间太阳电池。太空站上的太空站上的GaAs太阳电池太阳电池高原用的高原用的GdTe太阳电池太阳电池25纳米太阳电池纳米太阳电池纳纳米米太太阳阳电电池池( (简简称称NPCNPC电电池池) )是是一一种种由由镀镀有有透透明明导导电电膜膜的的导导电电玻玻璃璃、多多孔孔纳纳米米TiOTiO2 2、染
15、染料料光光敏敏化化剂剂、固固体体电解质膜以及铂电极电解质膜以及铂电极组成的一种光电化学式电池。组成的一种光电化学式电池。纳米太阳电池的结构纳米太阳电池的结构26中中国国尚尚德德电电力力和和澳澳大大利利亚亚斯斯威威本本科科技技大大学学已已研研制制出出最最高高效的宽波段纳米薄膜太阳电池，效的宽波段纳米薄膜太阳电池，光电转化效率为光电转化效率为8.1%8.1%。为为捕捕获获更更多多太太阳阳光光，将将金金/ /银银纳纳米米粒粒子子嵌嵌入入薄薄膜膜中中，增增加加电池可吸收太阳光的波长范围，提高光子转化电子效率；电池可吸收太阳光的波长范围，提高光子转化电子效率；进进一一步步使使用用有有核核的的或或表表面面
16、凹凹凸凸不不平平的的纳纳米米粒粒子子，大大幅幅提提高高薄膜的比表面积。薄膜的比表面积。Xi Chen, Baohua Jia, et al, Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles, nano letters, doi.org/10.1021/nl203463z| Nano Lett27储氢材料储氢材料 28氢能是人类未来的理想能源。氢能是人类未来的理想能源。氢氢能能热热值值高高，如如燃燃烧烧1kg1kg氢氢可可发发热热1
17、.4101.4105 5kJkJ，相相当当于于3kg3kg汽油或汽油或4.5kg4.5kg焦炭的发热量；焦炭的发热量；资资源源丰丰富富，地地球球表表面面有有丰丰富富的的水水资资源源，水水中中含含氢氢量量达达到到11.111.1；干净、清洁干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染；，燃烧后生成水，不产生二次污染；应应用用范范围围广广，适适应应性性强强，可可作作为为燃燃料料电电池池发发电电，也也可可用用于于氢能汽车、化学热泵等。氢能汽车、化学热泵等。氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。29氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术氢能利用关键是高密度
18、安全储存和运输技术。氢氢密密度度很很小小，单单位位重重量量体体积积很很大大。目目前前市市售售氢氢气气一一般般是是在在150150个个大大气气压压下下储储存存在在钢钢瓶瓶内内，氢氢气气重重量量不不到到钢瓶重量的钢瓶重量的1/1001/100，且有爆炸危险，很不方便。，且有爆炸危险，很不方便。为为解解决决氢氢的的储储存存和和运运输输问问题题，人人们们研研发发了了相相应应的的储储氢氢材材料料，主主要要包包括括活活性性炭炭、无无机机化化合合物物、有有机机化化合合物以及合金化合物四大类储氢材料物以及合金化合物四大类储氢材料。常用高压氢气瓶常用高压氢气瓶30活性炭储氢活性炭储氢活活性性炭炭比比表表面面积积
19、可可达达2000m2000m2 2/g/g以以上上，低低温温加加压压可可吸吸附附储储氢氢。活活性性炭炭原原料料易易得得，吸吸附附储储氢氢和和放氢操作都比较简单放氢操作都比较简单。富富勒勒烯烯(C(C6060) )和和碳碳纳纳米米管管(CNT)(CNT)对对氢氢气气具具有有较较强强的的吸吸附附作作用用。单单层层碳碳纳纳米米管管的的吸吸氢氢量量比比活活性性炭炭高高，H H2 2的的吸吸附附量量可可达达5 5-10-10( (质质量量分分数数) )，有有望望成成为为新新一一代储氢材料代储氢材料。富勒烯富勒烯C60碳纳迷管碳纳迷管31合金化合物储氢合金化合物储氢在在一一定定温温度度和和氢氢气气压压力力
20、下下能能多多次次吸吸收收、储储存存和和释释放放氢气的合金被称为氢气的合金被称为储氢合金储氢合金。氢氢原原子子容容易易进进入入金金属属晶晶格格的的四四面面体体或或八八面面体体间间隙隙，形形成成金金属属氢氢化化物物，如如TiHTiH2 2、ZrHZrH1.91.9、PrHPrH2.82.8、TiTi1.41.4CoHCoH、LaNiLaNi5 5H H、MmNiMmNi4.54.5H H6.66.6等。等。氢原子在合金化合物中的占位：氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；四面体；(b)八面体八面体a ab b32储储氢氢合合金金可可储储存存比比其其体体积积大大1000-13001000-130
21、0倍倍的的氢氢，而而且且合合金金中中存存储储的的氢氢结结合合力力较较弱弱，当当金金属属氢氢化化物物受受热热时时又可释放氢气。又可释放氢气。储氢合金的储氢量比较储氢合金的储氢量比较33储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：储氢量大，能量密度高储氢量大，能量密度高；吸氢和放氢速度快吸氢和放氢速度快；氢化物生成热小氢化物生成热小； 分解压适中分解压适中：容易活化容易活化；化学稳定性好化学稳定性好；在储运中安全、无害在储运中安全、无害；原料来源广、成本价廉原料来源广、成本价廉。34新型二次电池材料新型二次电池材料35一一次次电电池池使使用用后后常常随随
22、普普通通垃垃圾圾一一起起被被丢丢弃弃或或掩掩埋埋，造造成成资资源源浪浪费费，同同时时电电池池中中的的重重金金属属元元素素泄泄露露也也会会污染地下水和土壤。污染地下水和土壤。二二次次电电池池或或蓄蓄电电池池：放放电电时时通通过过化化学学反反应应产产生生电电能能，充充电电时时则则使使体体系系回回复复到到原原来来状状态态，将将电电能能以以化化学学能能形式重新储存起来。形式重新储存起来。镍氢充电电池镍氢充电电池Li离子充电电池离子充电电池36传统二次电池如铅酸电池和镉镍电池理论比能量低，传统二次电池如铅酸电池和镉镍电池理论比能量低，且铅和镉都是有毒金属，对环境污染极大。且铅和镉都是有毒金属，对环境污染
23、极大。目前应用较广的是目前应用较广的是镍氢电池镍氢电池( (表示为表示为Ni/MHNi/MH电池电池) )和锂和锂离子电池离子电池( (表示为表示为LIBLIB电池电池) )，不但性能优良，而且污，不但性能优良，而且污染较小，被称为绿色电池。染较小，被称为绿色电池。铅酸蓄电池铅酸蓄电池NiCd充电电池充电电池37Ni/MHNi/MH镍氢二次电池镍氢二次电池Ni/MHNi/MH电池的正极材料采用电池的正极材料采用Ni(OH)Ni(OH)2 2，负极材料为储，负极材料为储氢合金，电解质为氢合金，电解质为KOHKOH水溶液。水溶液。与与Ni/CdNi/Cd电池相比，电池相比，Ni/MHNi/MH电池
24、具有以下优点电池具有以下优点：能量密度是能量密度是Ni/CdNi/Cd电池的电池的1.5-21.5-2倍；倍；充放电速率高；充放电速率高；耐过充和过放性能好；耐过充和过放性能好；使用寿命长；使用寿命长；低温性能好；低温性能好；无无CdCd元素对环境的污染。元素对环境的污染。 Ni/MH二次电池二次电池38Ni/MHNi/MH电电池池开开发发重重点点是是大大功功率率、高高容容量量方方向向。国国际际上上主主要要汽汽车车公公司司如如GMGM、FordFord和和ToyotaToyota等等相相继继开开发发出出Ni/MHNi/MH电动汽车和混合电动汽车，电动汽车和混合电动汽车，GMGM公公司司生生产产
25、的的Ni/MHNi/MH电电池池动动力力车车，单单次次充充电电后后可可行行驶驶225km225km，时速为，时速为150150公里。公里。GM生产的生产的EVI汽车，用汽车，用26个个12V的电的电池，池，3小时充电后时速可达到小时充电后时速可达到150公里公里39LIBLIB锂离子二次电池锂离子二次电池LiLi是是最最轻轻的的金金属属元元素素，它它的的标标准准电电极极电电位位是是-3.045V-3.045V，是是金金属属中中负负电电位位最最大大的的元元素素，因因此此LiLi负负极极电电池池的的开开发发受到极大重视，与受到极大重视，与Ni/MHNi/MH电池性能的比较如下。电池性能的比较如下。
26、普通普通Ni/MH，LIB及及Ni/Cd电池性能比较电池性能比较技术参数技术参数Ni/CdNi/MHLIB工作电压工作电压/V1.21.23.7质量比能量质量比能量/(Wh/kg)30-5050-70100-150体积比能量体积比能量/(Wh/L)150200270冲放电寿命冲放电寿命/次次500500100040LIBLIB电电池池具具有有工工作作电电压压高高、比比能能量量高高、容容量量大大、循循环环特特性性好好、重重量量轻轻、体体积积小小等等优优点点，而而且且LIBLIB无无记记忆忆效效应应，不不需需将将电电放放尽尽后后再再充充电电；LIBLIB自自放放电电小小，每每月月在在1010以下，以下，Ni/MHNi/MH电池自放电一般为电池自放电一般为3030-40-40。仅仅20002000年，日本就销售了年，日本就销售了4 4亿多只亿多只LiLi电池。电池。移动电话移动电话Li电池电池数码相机数码相机Li电池电池笔记本笔记本Li电池电池42谢谢谢谢！
