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1、1第八讲第八讲 新能源材料新能源材料 New Energy Materials 2主要内容主要内容新能源材料新能源材料 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太阳能电池材料太阳能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
2、成为共识。 煤炭开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：1952年年12月，伦敦月，伦敦烟雾烟雾；酸雨；酸雨；河流河流干涸；干涸；5巨大的能源危机：巨大的能源危机：已开采已开采800亿吨石油，按现在的开采速度，亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明的地球上已探明的1770亿吨亿吨石油石油储量储量仅够开采仅够开采50年年;已探明的已探明的173万亿立方米万亿立方米天然气天然气仅够开采仅够开采63年年；已探明的已探明的9827亿吨亿吨煤炭煤炭还可用还可用300年到年到400 年年;已探明的已探明的铀铀储量约储量约490万吨，
3、万吨，钍钍储量约储量约275万吨，全球万吨，全球441座座核电站每年消耗核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，万多吨浓缩铀，仅够使用仅够使用100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。6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。2009年，年，中国风力发电量达到了中国风力发电量达到了25.8亿瓦亿瓦，超过了德国，超过了德国的的25.77亿瓦，仅次于美国亿瓦，仅次于美国35亿瓦；亿瓦；2020年，中国将
4、投入足以实现年发电量年，中国将投入足以实现年发电量150亿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% 。7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
5、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。8新能源材料新能源材料 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102009年年，世界第八大石油公，世界第八大石油公司巴西石油公司旗下的生物司巴西石油公司旗下的生物能源公司代表来到成都，与能源公司代表来到成都，与四川大学生命
6、科学学院洽谈，四川大学生命科学学院洽谈，希望能将希望能将四川的麻风树四川的麻风树引进引进到巴西种植。到巴西种植。 麻风树是世界上公认的生物麻风树是世界上公认的生物能源树，能源树，其果实可全部用来其果实可全部用来炼取生物柴油炼取生物柴油，而且在，而且在“碳碳汇交易汇交易”市场上具有巨大潜市场上具有巨大潜力，力，麻风树种植麻风树种植麻风树果实麻风树果实- -小桐子小桐子 112011年年11月，从月，从小桐子中提炼出的生物航空燃料小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于波应用于波音音747客机在首都机场首次验证试飞成功。客机在首都机场首次验证试飞成功。本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公司本
7、次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公司合作完成，合作完成，我校陈放教授我校陈放教授应邀参加。应邀参加。试飞成功标志着试飞成功标志着我国已具备研发生产航空生物燃料的技术我国已具备研发生产航空生物燃料的技术能力能力，这对于促进生物燃料应用，应对气候变化、解决能，这对于促进生物燃料应用，应对气候变化、解决能源问题具有重要意义。源问题具有重要意义。12新新能能源源材材料料是是指指能能实实现现新新能能源源的的转转化化和和利利用用以以及及发展新能源技术所需的关键材料发展新能源技术所需的关键材料，主要包括：，主要包括：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
8、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-13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14新能源的应用新能源的应用1
9、5储氢材料储氢材料 16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1kg氢氢可可发发热热1.4105kJ，相相当当于于3kg汽油或汽油或4.5kg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11.1；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
10、已成为世界特别关注的科技领域。17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150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1/100，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
11、高压氢气瓶常用高压氢气瓶18活性炭储氢活性炭储氢活活性性炭炭比比表表面面积积可可达达2000m2/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(C60)和和碳碳纳纳米米管管(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，H2的的吸吸附附量量可可达达5-10(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19无机化合物储氢无机化合物储氢某某些些无无机机化化合合物物和
12、和氢氢气气发发生生化化学学反反应应可可储储氢氢，然然后后在一定条件下分解可放氢。在一定条件下分解可放氢。利利用用碳碳酸酸氢氢盐盐与与甲甲酸酸盐盐之之间间相相互互转转化化，吸吸氢氢和和放放氢氢反应为：反应为：以活性炭作载体，在以活性炭作载体，在Pd或或PdO的催化作用下，以的催化作用下，以KHCO3或或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为作为储氢剂，储氢量约为2(质质量分数量分数)。该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储氢量比较小，催化剂价格较贵。氢量比较小，催化剂价格较贵。释氢，70，0.1MPa吸氢，35，2.0MPa20有机液体氢化物储氢有机
13、液体氢化物储氢借借助助储储氢氢载载体体(如如苯苯和和甲甲苯苯等等)与与H2的的可可逆逆反反应应来来实实现现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。包括催化加氢反应和催化脱氢反应。该法储氢量大，该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为为7.19和和6.18(质量分数质量分数)，比高压储氢和金属氢化物，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和运输都很安全方便。储存和运输都很安全方便。催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比
14、较复杂。较复杂。其中R=H、CH4H2，供用户使用H2，制氢工厂储存、运输储存、运输催化脱氢催化加氢21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 TiH2、 ZrH1.9、 PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6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
15、八面体a ab b22储储氢氢合合金金可可储储存存比比其其体体积积大大1000-1300倍倍的的氢氢，而而且且合合金金中中存存储储的的氢氢表表现现为为H与与H+之之间间的的中中间间特特性性，结结合力较弱，当金属氢化物受热时又可释放氢气。合力较弱，当金属氢化物受热时又可释放氢气。储氢合金的储氢量比较储氢合金的储氢量比较23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
16、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。四川大学材料学院储氢材料四川大学材料学院储氢材料课题组首创低成本课题组首创低成本V-Ti-Cr-Fe四元合金体系：四元合金体系：在温和在温和条件下可快速吸氢饱和条件下可快速吸氢饱和:40，6min24储储氢氢合合金金材材料料主主要要有有：稀稀土土系系列列、镁镁镍镍系系列列、钛钛合合金系列等金系列等。大大多多数数金金属属氢氢化化物物储储氢氢量量在在1-4(质质量量分分数数)、能能量量密密度度高高，所所需需费费用用明明显显低低于于深深冷冷液液化化储储气气和和高高压压储储氢氢，原原料料易易得得，安安全全可可靠靠。储储氢氢合合金金已已成成
17、为为各各国国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。都积极研发的一种很有前途的储氢方法。我国生产的稀土储氢合金我国生产的稀土储氢合金25稀土系储氢合金稀土系储氢合金LaNi5是是稀稀土土系系储储氢氢合合金金的的典典型型代代表表，由由荷荷兰兰Philip实验室于实验室于1969年首先研制。年首先研制。LaNi5在在室室温温下下可可与与一一定定压压力力的的氢氢气气反反应应形形成成氢氢化化物物，如下式所示：如下式所示：LaNi5具具有有优优良良的的储储氢氢性性能能，块块状状LaNi5合合金金储储氢氢量量约约1.4(质质量量分分数数)，分分解解压压适适中中平平坦坦，活活化化容容易易，具具有良好的动力学特性
18、和抗杂质气体中毒性。有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。 26LaNi5成本高，大规模应用受限，因此发展成本高，大规模应用受限，因此发展置换置换La和和Ni的的多元合金：多元合金：LaNi5-xMx(MAl、Mn、Cr、Fe、Co、Cu等等)和和R0.2La0.8Ni5(RY、Gd、Nd、Th等等)。用用富富Ce混混合合稀稀土土(Mm)代代替替La可可研研制制廉廉价价的的MmNi5储储氢氢合合金金，在在MmNi5基基础础上上开开发发多多元元合合金金，如如MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等等)系系列列，不不仅仅保保持持LaNi5的的优优良良特特性性，而而且且在在
19、储储氢氢量量和和动动力力学学特特性方面优于性方面优于LaNi5，价格仅为纯，价格仅为纯La的的1/5。272009年，年，西博会上展出的川大宝生实西博会上展出的川大宝生实业公司生产的稀土储氢合金电池业公司生产的稀土储氢合金电池28钛系储氢合金钛系储氢合金TiFe具具有有优优良良储储氢氢特特性性，吸吸氢氢量量约约1.75(质质量量分分数数)，室室温温下下释释氢氢压压力力约约为为0.1MPa。价价格格较较低低，具具有有很很大实用价值。大实用价值。TiFe活活化化困困难难，须须在在450和和5MPa压压力力下下进进行行活活化化；抗毒性弱抗毒性弱(特别是特别是O2)，反复吸释氢后性能下降。，反复吸释氢
20、后性能下降。为为改改善善TiFe合合金金储储氢氢特特性性，可可用用过过渡渡元元素素(M)置置换换部部分分铁铁形形成成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等等)。TiFe0.8Mn0.2可可 在在 室室 温温 3MPa氢氢 压压 下下 活活 化化 ， 生生 成成TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，储氢量达到氢化物，储氢量达到1.9wt。29镁系储氢合金镁系储氢合金在在300-400和较高氢压下，和较高氢压下，Mg2Ni与氢生成与氢生成Mg2NiH4，含氢量为，含氢量为3.65wt，理论储氢量可达，理论储氢量可达6%，但其稳定性强，释氢困难。，但其稳定性强，释氢困难。用用Ca
21、和和A1取代部分取代部分Mg形成形成Mg2-xMxNi，氢比物离，氢比物离解速度比解速度比Mg2Ni增大增大40以上，活化容易，具有良以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性质稳定。好的储氢性能，性质稳定。利用过渡元素利用过渡元素(M)置换置换Mg2Ni中的部分中的部分Ni，形成形成Mg2Ni1-xMx合金合金(MV、Cr、Mn、Fe、Zn等等)，也，也可改善吸可改善吸/释氢的速度，具有实用价值。释氢的速度，具有实用价值。30储氢合金的应用储氢合金的应用氢储存是储氢合金最基本的应用。氢储存是储氢合金最基本的应用。金金属属氢氢化化物物储储氢氢密密度度高高，采采用用Mg2Ni制制成成的的储储氢氢容容
22、器与高压器与高压(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比，钢瓶和深冷液化储氢装置相比，在在储储氢氢量量相相等等的的情情况况下下，三三者者质质量量比比为为1：1.4：1.2，体积比为，体积比为1：4：1.3；储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；氢氢以以金金属属氢氢化化物物形形式式存存在在储储氢氢合合金金中中，安安全全可可靠靠，便于氢的运输和传递。便于氢的运输和传递。31储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较32储储氢氢合合金金可可分分离离氢氢气气。混混合合气气体体流流过过储储氢氢合合金金分分离离床床，氢氢被
23、被吸吸收收形形成成金金属属氢氢化化物物，杂杂质质排排出出；加加热热金金属属氢氢化化物物，得得到到回回收收氢氢气气。反复提纯可获得高纯氢气，反复提纯可获得高纯氢气，每每年年大大量量含含氢氢尾尾气气放放空空(仅仅合合成成氨氨工工业业全全国国每每年年放放空空尾尾气气数数十十亿亿m3，含含有有50-60%的的氢氢气气)，回回收收利利用用可可提提供供大大量量廉廉价价氢氢气气，得得到到巨大的能源补充。巨大的能源补充。氢气纯化装置氢气纯化装置氢气纯化工厂氢气纯化工厂33某某些些储储氢氢合合金金的的氢氢化化物物同同氘氘、氚氚化化物物相相比比，同同一一温温度度下下吸吸释释氘氘氚氚的的热热力力学学和和动动力力学学
24、特特性性有有较较大大差差别别，可可用用于于氢氢同同位位素素的的分离。分离。TiNi合合金金吸吸收收D2的的速速率率为为H2的的1/10，将将含含7%D2的的H2导导入入到到TiNi合合金金中中，每每通通过过一一次次可可使使D2浓浓缩缩50%，通通过过多多次次压压缩缩和和吸吸收收，氘氘的的浓浓度度可可迅迅速速提提高高，同时回收大量高纯同时回收大量高纯H2。氢同位素的应用氢同位素的应用34金属氢化物也是理想的能量转换材料。金属氢化物也是理想的能量转换材料。氢氢化化物物热热泵泵：以以氢氢气气为为工工作作介介质质，储储氢氢合合金金为为能能量量转转换换材材料料，相相同同温温度度下下分分解解压压不不同同的
25、的两两种种氢氢化化物物组组成成热热力力学学循循环环系系统统，以以它它们们的的平平衡衡压压差差驱驱动动氢氢气气流流动动，使使两两种种氢氢化化物物分分别别处处于于吸吸氢氢(放放热热)和和放放氢氢(吸吸热热)状态，达到升温、增热或制冷目的。状态，达到升温、增热或制冷目的。德国用德国用LaNi5/Ti0.9Zr0.1CrMn合金获得合金获得-25低温；低温；日日本本用用MmNiMnAl/MmNiMnCo制制备备制制冷冷系系统统，连连续获得续获得-20低温，制冷功率为低温，制冷功率为900-1000W。35储储氢氢合合金金电电极极替替代代NiCd电电池池中中的的Cd负负极极，组组成成镍镍-氢氢化化物物电
26、电池池，不不但但具具有有高高能能量量密密度度，而而且且耐耐过过充充，放电能力强，无重金属放电能力强，无重金属Cd对人体和环境的危害。对人体和环境的危害。储氢合金在镍氢电池上的应用储氢合金在镍氢电池上的应用36新型二次电池材料新型二次电池材料37一一次次电电池池使使用用后后常常随随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
27、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38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/MH电池电池)和锂和锂离子电池离子电池(表示为表示为LIB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39Ni/MH镍氢二次电池镍氢二次电池Ni
28、/MH电池的正极材料采用电池的正极材料采用Ni(OH)2，负极材料为，负极材料为储氢合金，电解质为储氢合金，电解质为KOH水溶液。水溶液。与与Ni/Cd电池相比，电池相比，Ni/MH电池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/Cd电池的电池的1.5-2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Cd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40Ni/MH电电池池在在充充放放电电中中产产生生如如下下电电极极反反应应，工工作作原原理如图所示：理如图所示：正极：正极： 负极：负极
29、：电池反应：电池反应：放充放充放充Ni/MHNi/MH电池工作原理电池工作原理41Ni/MH电电池池的的正正极极材材料料是是Ni(OH)2，电电池池负负极极材材料料主要是储氢合金主要是储氢合金，其种类如表所示。，其种类如表所示。典型的典型的Ni/MH负极材料及特征负极材料及特征合金合金类型类型 典型氢化物典型氢化物 合金组成合金组成 吸氢质吸氢质量量/% 电化学容电化学容/(mAh/g) 理论值理论值 实际值实际值 AB5LaNi5H6MmNi3.5-4(MnAl)0.3-0.8Co0.2-1.31.3348330AB2ZrMn2H3Zr1-xTixNia(MnV)b(CoFeCr)c1.84
30、82420ABTiFeH2ZrNi1.4, TiNi2.0536350A2BMg2NiH4Mg2Ni3.6965500固溶体固溶体V0.8Ti0.2H0.8V4-x(NbTaTiCo)xNi0.53.8101850042电电解解质质需需要要有有高高的的离离子子传传导导能能力力，目目前前使使用用的的Ni/MH电池的电解质是电池的电解质是KOH水溶液水溶液。KOH水水溶溶液液具具有有强强腐腐蚀蚀性性，液液体体电电解解质质给给电电池池加加制制作带来不便。作带来不便。用用高高导导电电性性能能的的固固体体或或凝凝胶胶电电解解质质替替代代KOH是是Ni/MH电池的一个发展趋势电池的一个发展趋势。研研究究表
31、表明明，采采用用高高吸吸水水和和高高亲亲水水能能力力的的聚聚合合物物凝凝胶胶作作为为电电解解质质，电电池池的的电电化化学学性性能能与与普普通通KOH电电解解质电池相近。质电池相近。43Ni/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GM、Ford和和Toyota等等相相继继开开发发出出Ni/MH电动汽车和混合电动汽车，电动汽车和混合电动汽车，GM公公司司生生产产的的Ni/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225km，时速为，时速为150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
32、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44日本日本Toyota公司开发出世界上第一个商品化的混合动力公司开发出世界上第一个商品化的混合动力车，该车采用车，该车采用240只高功率的只高功率的Ni/MH电池串联电池组提供电池串联电池组提供动力，总电压动力，总电压288V，容量为，容量为6.5Ah。丰田公司生产的丰田公司生产的RAV4-EVI汽车，充电一次可行驶汽车，充电一次可行驶215公里公里452010年，我国电动汽车已从研发阶段进入产业化阶年，我国电动汽车已从研发阶段进入产业化阶段，成为全球电动汽车产业和市场开拓中一支不可段，成为全球电动汽车产业和市场开拓中一支不可
33、忽视的力量。忽视的力量。未来五至十年，未来五至十年，混合动力汽车混合动力汽车将成为传统汽车节能将成为传统汽车节能技术改造、升级换代的主要方向，纯电动汽车将成技术改造、升级换代的主要方向，纯电动汽车将成为近期发展战略的主流，为近期发展战略的主流，一汽丰田的普锐斯混合动力汽车一汽丰田的普锐斯混合动力汽车上海通用的雪佛兰混合动力汽车上海通用的雪佛兰混合动力汽车46我国已建立了具有自主知识产权、适用于中国公共我国已建立了具有自主知识产权、适用于中国公共交通和私人汽车市场特色的混合动力、纯电动、燃交通和私人汽车市场特色的混合动力、纯电动、燃料电池动力系统技术平台，料电池动力系统技术平台，掌握了整车集成技
34、术。掌握了整车集成技术。在电机、电池和控制系统方面，在电机、电池和控制系统方面，车用镍氢和锂离子车用镍氢和锂离子电池、车用燃料电池等电池、车用燃料电池等对电动汽车性能有决定性影对电动汽车性能有决定性影响的零部件领域，我国也取得重要进展。响的零部件领域，我国也取得重要进展。2010年年5月，成都月，成都4辆电动公辆电动公交车上路，分别运行交车上路，分别运行16路和路和28路，充电后空载可行驶路，充电后空载可行驶270多公里多公里47LIB锂离子二次电池锂离子二次电池Li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，是是金金属属中中负负电电位位最最大大的的元
35、元素素，因因此此Li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/MH电池性能的比较如下。电池性能的比较如下。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500500100048LIB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LIB无
36、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；LIB自自放放电电小小，每每月月在在10以下，以下，Ni/MH电池自放电一般为电池自放电一般为30-40。仅仅2000年，日本就销售了年，日本就销售了4亿多只亿多只Li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49LIB电电池池是是一一种种Li离离子子浓浓度度差差电电池池，充充放放电电中中，Li离离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。充充电电时时，Li离离子子从从正正极极脱脱嵌嵌，通通过过电电解解质质和和隔隔膜膜，嵌嵌入入负负极极，使使负负极极处处于于富富Li
37、离离子子态态，正正极极处处于于贫贫Li态；态；放电时，放电时，Li离子从负极脱嵌进入正极离子从负极脱嵌进入正极。锂离子二次电池工作示意图锂离子二次电池工作示意图50LIB负极材料负极材料LIB负极材料的演变过程负极材料的演变过程负极材料负极材料金属锂金属锂锂合金锂合金碳材料碳材料氧化物氧化物纳米合金纳米合金容量容量/(mAh/g)34007903727002000年代年代19651971199019951998金金属属Li容容量量最最高高，但但在在LIB电电池池的的长长期期充充放放电电中中， Li与与有有机机电电解解质质发发生生反反应应，发发生生枝枝晶晶生生长长，并并形形成成树枝状沉积物树枝状
38、沉积物，导致电池内部短路。，导致电池内部短路。51LIB电电池池以以炭炭材材料料替替代代Li负负极极、高高电电位位的的LiCoO2作作正正极极的的二二次次电电池池后后，循循环环性性能能和和安安全全性性能能得得到到大大幅幅度提高，其电池反应为：度提高，其电池反应为：正极：正极：负极：负极：电池：电池：放充放充放充不同形状的不同形状的LiLi离子电池离子电池52纳纳米米碳碳材材料料具具有有传传统统碳碳材材料料无无法法比比拟的高比容量拟的高比容量。纳纳米米碳碳管管由由于于特特殊殊的的管管状状结结构构，Li离离子子不不仅仅可可嵌嵌入入管管内内，还还可可嵌嵌入入管管壁壁缝缝隙隙，具具有有嵌嵌入入深深度度
39、小小、过过程程短短、嵌嵌入入位位置置多多等等优优点点，可可提提高高Li离离子子电池的充放电容量电池的充放电容量。用用纳纳米米碳碳管管作作负负极极，电电池池理理论论容容量量超超过过石石墨墨嵌嵌Li化化合合物物理理论论容容量量一一倍倍以上。以上。纳米碳管的显微形貌纳米碳管的显微形貌纳米碳管的显微结构纳米碳管的显微结构53LIB电电池池的的Li离离子子源源由由正正极极材材料料提提供供。LiCoO2是是最最早早商商品品化化的的正正极极材材料料。由由于于Co资资源源少少(地地球球已已探探明明Co储储量量为为1000万万吨吨，而而Mn量量是是Co的的500倍倍)，人人们们开发了开发了LiNiO2、LiMn
40、2O4材料。材料。LIB正极材料的性能正极材料的性能正极正极材料材料理论比容量理论比容量(mAh/g)实际比容量实际比容量(mAh/g)密度密度(g/cm3)特点特点LiCoO2275130-1405.00性能稳定，放电电压性能稳定，放电电压稳定，价格高稳定，价格高LiNiO2274170-1804.78热稳定性差热稳定性差LiMn2O4148100-1204.28安全性高，高温循环安全性高，高温循环和存放性差，价格低和存放性差，价格低54锂电池隔膜锂电池隔膜(以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃隔膜以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃隔膜)是是锂电池产业发展的关键材料。锂电池产业发展的关键材料。我校我校与与
41、深圳星源材质公司深圳星源材质公司合作开展锂离子电池隔膜研合作开展锂离子电池隔膜研制，取得重大突破。制，取得重大突破。我校提供我校提供锂电池隔膜制造工艺、装备设计及配方等关键技锂电池隔膜制造工艺、装备设计及配方等关键技术术，形成具有核心竞争能力的专有技术和工艺，产品技术，形成具有核心竞争能力的专有技术和工艺，产品技术指标可媲美进口产品，填补国内空白，打破国外垄断。指标可媲美进口产品，填补国内空白，打破国外垄断。55燃料电池材料燃料电池材料 56燃燃料料电电池池是是直直接接将将储储存存在在燃燃料料和和氧氧化化剂剂中中的的化化学学能能高高效效且且与与环环境境友友好好地地转转化化为为电电能能的的材材料
42、料。它它是是继继水水力、热能和核能发电后的力、热能和核能发电后的第四种发电技术第四种发电技术。燃燃料料电电池池与与二二次次电电池池不不同同的的是是不不在在内内部部储储存存能能量量，利用输入燃料与氧的氧化还原反应输出电能利用输入燃料与氧的氧化还原反应输出电能。甲醇燃料电池（甲醇燃料电池（DMFC）57许多国家投入大量人力和财力进行燃料电许多国家投入大量人力和财力进行燃料电池研究，相继开发：池研究，相继开发：碱性氢氧燃料电池碱性氢氧燃料电池AFC磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池PAFC熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池MCFC固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池SOFC质子交换膜燃料电池质子交换膜燃
43、料电池PEMFC甲醇燃料电池甲醇燃料电池DMFC碱性氢氧燃料电池碱性氢氧燃料电池磷酸燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池58燃料电池应用燃料电池应用59碱性氢氧燃料电池碱性氢氧燃料电池AFC1952年年，培培根根研研制制出出具具有有碱碱性性氢氢氧氧燃燃料料电电池池(AFC)，标标志志着着燃料电池进入实用化时代。燃料电池进入实用化时代。培培根根电电池池的的电电极极材材料料为为Ni，电电解解质质为为浓浓度度30的的KOH溶溶液液，氢为燃料，氧为氧化剂。氢为燃料，氧为氧化剂。工工作作电电压压为为30V，平平均
44、均输输出出功功率率600W，工工作作寿寿命命大大于于400h，成为，成为Apllo登月飞船电源。登月飞船电源。氢氧燃料电池构造示意图氢氧燃料电池构造示意图60航天用碱性燃料电池是石棉膜碱性燃料电池航天用碱性燃料电池是石棉膜碱性燃料电池。电电池池用用含含32KOH水水溶溶液液的的石石棉棉体体作作电电池池隔隔膜膜，平平均均输输出出功率功率7kW，电压为，电压为30V，寿命达到，寿命达到2500h。哥哥伦伦比比亚亚号号、挑挑战战者者号号等等航航天天飞飞机机使使用用石石棉棉膜膜碱碱性性燃燃料料电电池，累计飞行时间超过池，累计飞行时间超过27000h。哥伦比亚号哥伦比亚号发现者号发现者号挑战者号挑战者号
45、61为为适适应应未未来来1000kW级级、超超长长寿寿命命的的航航天天电电源源要要求求，碱性燃料电池改进后工作寿命延长到碱性燃料电池改进后工作寿命延长到105h。AFC另另一一重重要要应应用用领领域域是是作作为为潜潜艇艇动动力力电电源源，德德国国西门子公司已开发出西门子公司已开发出100kW的的AFC在潜艇上使用。在潜艇上使用。阿穆尔潜艇的燃料电池组阿穆尔潜艇的燃料电池组俄基洛级常规燃料电池潜艇俄基洛级常规燃料电池潜艇德阿穆尔燃料电池潜艇德阿穆尔燃料电池潜艇62磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池PAFC磷磷酸酸型型燃燃料料电电池池(PAFC)是是用用天天然然气气重重整整气气为为燃燃料料，空空气气为为
46、氧氧化化剂剂，以以浸浸有有浓浓H3PO4的的SiC微微孔孔膜膜作作电电解解质质，Pt/C为为电电催催化化剂剂，产产生生的的直直流流电电经经过过变变换换后后供供给用户使用的电池。给用户使用的电池。磷酸燃料电池磷酸燃料电池6350-200kW的的PAFC可可供供现现场场使使用用，作作为为医医院院、银银行行的的不不间断电源使用。间断电源使用。1000kW以以上上的的PAFC可可供供区区域性电站使用域性电站使用。世世界界有有大大量量PAFC电电站站，最最长长已已运运行行数数万万小小时时，具具有有高高度的可靠性。度的可靠性。PAFC工工作作时时启启动动时时间间较较长长，不适合作移动电源。不适合作移动电源
47、。磷酸型燃料电池用做不间断电源磷酸型燃料电池用做不间断电源磷酸型燃料电池电站磷酸型燃料电池电站64熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)(MCFC)熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以熔融碳酸盐为电解以熔融碳酸盐为电解质，燃料是氢或天然气，氧化剂为氧气或空气与质，燃料是氢或天然气，氧化剂为氧气或空气与二氧化碳的混合气体二氧化碳的混合气体，电极反应为如下所示，电极反应为如下所示，阴极：阴极：阳极：阳极：总反应：总反应：65MCFC中中导导电电离离子子是是CO32-，在在阴阴极极CO2是是反反应应物物，在在阳阳极极CO2是是产产物物。为为使使电电池池稳稳定定连连续续工工作作
48、，必必须须将阳极的将阳极的CO2产物返回到阴极。产物返回到阴极。MCFCMCFC燃料电池工作原理燃料电池工作原理66MCFC电池由阳极、阴极、隔膜和双极板组成电池由阳极、阴极、隔膜和双极板组成。MCFC的的工工作作温温度度为为600-700，且且维维持持一一定定压压力力，Ni阳阳极极工工作作一一段段时时间间后后会会变变形形，MCFC采采用用向向Ni中中加加入入Cr、A1等等合合金金元元素素，利利用用第第二二相相弥弥散散强强化化形形成成高温下不易变形的高温下不易变形的NiCr、NiAl合金合金。隔隔膜膜是是MCFC的的核核心心部部件件，要要求求强强度度高高，耐耐高高温温熔熔盐盐腐腐蚀蚀，浸浸入入
49、电电解解质质后后具具有有良良好好的的离离子子导导电电性性。MCFC隔隔膜膜使使用用LiAlO2，它它在在高高温温熔熔盐盐中中具具有有很很强强的抗碳酸熔盐腐蚀的能力。的抗碳酸熔盐腐蚀的能力。67MCFC电电池池工工作作温温度度为为650，余余热热利利用用价价值值高高，电电池池不不使使用用贵贵金金属属催催化化剂剂，同同时时还还具具有有发发电电效效率率高高、噪噪音音低低、污污染染小小、余余热热利利用用率率高高等等优优点点，适适用用于于中中、小小型型分分散散电电站站的的建建立立，是是充充分分利利用用能能源源和和减减少少环环境境污染的一种有效手段。污染的一种有效手段。国国际际上上大大多多MCFC电电站站
50、已已经经进进入入安安装装试试运运行行阶阶段段，一些兆瓦级电站的运行时间已经超过一些兆瓦级电站的运行时间已经超过2万小时。万小时。68固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)(SOFC)固固体体氧氧化化物物燃燃料料电电池池包包括括电电解解质质材材料料、电电极极材材料料和连接材料和连接材料。O2在在具具有有催催化化活活性性的的阴阴极极上上被被还还原原成成O2-，O2-在在电电池池两两侧侧氧氧浓浓度度差差的的驱驱动动下下，通通过过电电解解质质中中的的氧氧空空位定向迁移到阳极上，与燃料进行氧化反应。位定向迁移到阳极上，与燃料进行氧化反应。SOFC燃料电池工作原理燃料电池工作原理69钇钇稳稳定定
51、ZrO2陶陶瓷瓷(YSZ)是是SOFC中中应应用用最最广广的的电电解解质质材料。材料。阴阴极极采采用用具具有有较较高高离离子子导导电电率率的的钙钙铁铁矿矿氧氧化化物物，Sr掺杂掺杂LaMnO3是目前最常用的阴极材料。是目前最常用的阴极材料。阳极材料采用金属阳极材料采用金属Ni，管式管式SOFC燃料电池燃料电池70SOFC燃燃料料来来源源广广泛泛，不不需需贵贵金金属属催催化化剂剂，电电池池不不含含腐蚀性介质，能量综合利用率达到腐蚀性介质，能量综合利用率达到70以上以上。SOFC电电池池被被认认为为是是最最有有效效率率的的万万能能电电池池，可可用用于于发发电、交通、宇航等许多领域。电、交通、宇航等
52、许多领域。德西门子公司和美西屋公司在德西门子公司和美西屋公司在加州大学建立的加州大学建立的SOFC电站电站德西门子公司和美西屋公司在德西门子公司和美西屋公司在荷兰建立的荷兰建立的SOFC电站电站71质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(PEMFC)PEMFC是是一一种种以以全全氟氟磺磺酸酸固固体体聚聚合合物物为为电电解解质质，以以Pt/C或或Pt-Ru/C为为催催化化剂剂，以以氢氢或或净净化化重重整整气气为为燃燃料料，以以空空气气或或纯纯氧氧为为氧氧化化剂剂，以以带带有有气气体体流流动动通通道道的的石石墨墨或或金金属属板板为双极板的新型燃料电池。为双极板的新型燃料电池。构构成成PEMFC电电池
53、池的的材材料料有有电电催催化化剂剂、电电极极、质质子子交交换换膜膜、双极板材料。双极板材料。PEMFCPEMFC电池工作原理电池工作原理72电电催催化化剂剂要要求求对对特特定定电电极极反反应应有有良良好好的的催催化化活活性性，还还要要求求耐耐腐腐蚀蚀和和良良好好导导电电性性，一一般选择般选择Ni、Pt及其合金及其合金。多孔多孔Ni的微观形貌的微观形貌PEMFC为提高电流密度，减为提高电流密度，减少极化，需增加反应面积。少极化，需增加反应面积。可采用可采用多孔扩散电极多孔扩散电极，形成，形成传导气、水、电的三维反应传导气、水、电的三维反应界面，界面，比表面积比平板电极比表面积比平板电极提高提高3
54、-5个数量级，个数量级，大幅提高大幅提高电极的极限电流密度。电极的极限电流密度。PEMFC电池的多孔扩散电极构成电池的多孔扩散电极构成73PEMFC具具有有能能量量转转化化率率高高、环环境境友友好好等等优优点点，在在室室温温下下可可快快速速启启动动、无无电电解解液液流流失失、水水易易排排出出、寿寿命长，命长，特别适合作移动电源使用特别适合作移动电源使用。在在未未来来以以氢氢为为主主要要燃燃料料的的氢氢能能时时代代， PEMFC将将得得到更广泛的应用。到更广泛的应用。PEMFC电池在电瓶车上的应用电池在电瓶车上的应用挑战杯北航的无人驾驶验证机中挑战杯北航的无人驾驶验证机中应用应用PEMFC电池作
55、为电源电池作为电源74直接甲醇燃料电池是直接甲醇燃料电池是PEMFC中的一类，直接使用水中的一类，直接使用水溶液以及蒸汽甲醇为燃料供给来源，溶液以及蒸汽甲醇为燃料供给来源，不需通过重组不需通过重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。相较于相较于PEMFC，DMFC燃料成分危险性低，电池结燃料成分危险性低，电池结构简单，成为可携式电子产品应用的主流。构简单，成为可携式电子产品应用的主流。直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池(DMFC)Sharp研制的高功研制的高功率率DMFC电池，应电池，应用于移动设备用于移动设备752012年，工信部将在年，工信部将在沪、晋、
56、陕沪、晋、陕三地开展甲醇汽车三地开展甲醇汽车试点，燃料将以试点，燃料将以高比例高比例M85(加入加入85%甲醇调配甲醇调配)和和M100(纯甲醇燃料纯甲醇燃料)两大类型为主。两大类型为主。甲醇采取煤基生产路线，甲醇采取煤基生产路线，经济优势明显经济优势明显，出租车使用，出租车使用M100燃料，油费可从燃料，油费可从0.8元元/公里降到公里降到0.55元元/公里；公里；甲醇是甲醇是清洁替代能源清洁替代能源，一些煤制甲醇可回收，一些煤制甲醇可回收70%的的CO2排排放，综合排放致癌物仅为汽柴油的放，综合排放致癌物仅为汽柴油的20%。 76太阳能电池材料太阳能电池材料77太阳能太阳能在未来能源结构中
57、占有重要地位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3.81018kW，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。人造卫星上的太阳能电池人造卫星上的太阳能电池78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
58、合利用系统太阳能电池开发综合利用系统79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18万户使用，万户使用，每年减排每年减排60万吨万吨CO280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光伏效应光伏效应：太阳光的光量子与：太阳光的光量子与材料相互作用产生电子空穴对，在势垒区静电场作用材料相互作用产生电子空穴对，在势垒区静电场作用下，空穴和电子越过势垒，下，空穴和电子越过势垒，电子进入电子进入n区，空穴进入区，空穴进入p区，区，被分离的电子和空穴由电极收集并输出，形成
59、光被分离的电子和空穴由电极收集并输出，形成光生电流，实现光电转换。生电流，实现光电转换。光伏效应示意图光伏效应示意图太阳能电池太阳能电池81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 solar公司共建公司共建2000兆瓦太阳兆瓦太阳能光伏发电厂能光伏发电厂82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4.68兆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4000吨。吨。主
60、题馆屋面太阳能板面积达主题馆屋面太阳能板面积达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280万度，万度，每年减排二氧化碳每年减排二氧化碳2800吨，节约标准煤吨，节约标准煤1000多吨。多吨。 世博中国馆世博中国馆世博主题馆世博主题馆832011年年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13小时小时)，飞行高度可飞行高度可达达8700米米，平均飞行速度为平均飞行速度为70-120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，
61、总重制成，总重1.6吨，由吨，由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1.2万个太阳能电池板，万个太阳能电池板，翼翼展长度大约展长度大约64米米。 84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pn结结，在在p型型硅硅片片上上制制作作很很薄薄的的掺掺杂杂n型型层层，在在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
62、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85提高晶体硅太阳电池性能的方法提高晶体硅太阳电池性能的方法：吸吸杂杂：在在多多晶晶硅硅表表面面沉沉积积磷磷或或铝铝层层，在在表表面面产产生生大大量量缺缺陷陷区区；高高温温下下杂杂质质在在缺缺陷陷区区富富集集，去去掉掉该该层层后后就就可可消消除除部部分分杂质，特别是重金属杂质，提高电池性能。杂质，特别是重金属杂质，提高电池性能。钝钝化化：采采取取在在氢氢气气中中退退火火、等等离离子子体体处处理理等等方方式式，用用氢氢钝钝化硅的悬键等缺陷，提高电池性能。化硅的悬键等缺陷，提高电
63、池性能。在在多多晶晶硅硅表表面面制制备备多多孔孔硅硅：降降低低电电池池表表面面反反射射率率，提提高高电电池转换效率，达到池转换效率，达到13.4。86非晶硅太阳电池非晶硅太阳电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衬衬底底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13；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50MW，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发展到兆瓦级的独立电站。源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87非晶硅带隙为非晶硅带隙为1.5-2.0eV，其，其光谱响应峰值与太阳光光谱响应峰值
64、与太阳光谱峰值的匹配比晶体硅更好谱峰值的匹配比晶体硅更好，且开路电压大；，且开路电压大；非晶硅具有非晶硅具有长程无序短程有序的共价无规则网络结构长程无序短程有序的共价无规则网络结构，这可有效吸收光子，这可有效吸收光子，在可见光波长范围内吸收系数比在可见光波长范围内吸收系数比晶体硅高一个数量级晶体硅高一个数量级； 无规则网络具有很强的散射作用无规则网络具有很强的散射作用，非晶硅中光子扩散，非晶硅中光子扩散长度很短，光生载流子会很快复合而不能收集，长度很短，光生载流子会很快复合而不能收集，为此为此需要在电池内尽量布满电场需要在电池内尽量布满电场。88化合物太阳能电池化合物太阳能电池化化合合物物太太
65、阳阳电电池池所所用用材材料料包包括括II-VI族化合物和族化合物和III-V族化合物族化合物。II-VI族族化化合合物物包包括括CdTe、CdS和和CuInSe2等等，制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、成成本本低低、易易于于大大规模生产。规模生产。III-V族族化化合合物物包包括括GaAs和和InP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89CdTe太太阳阳电电池池是是以以CdTe为为吸吸
66、收收层层、CdS为为窗窗口口层层的的半半导导体体电电池池，开开路路电电压压1.05V，理理论论转转换换效效率率27；目目前前小小面面积积CdTe电电池池转转换换效效率率已已达达16，大大面面积积组组件已达件已达10.1。GaAs是是III-V族族化化合合物物，带带隙隙为为1.42eV，接接近近太太阳阳电电池池所所需需的的最最佳佳带带隙隙，具具有有高高的的转转换换效效率率，单单结结GaAs太太阳阳电电池池的的理理论论转转换换效效率率可可达达26.2；GaAs太太阳阳电电池池转转换换效效率率随随温温度度变变化化下下降降不不大大，耐耐辐辐照照性性能能好好，适合做空间太阳电池适合做空间太阳电池。90纳
67、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NPC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TiO2或或PbxLa1-xTiO3(简简称称PLT)膜膜、染染料料光光敏敏化化剂剂、固固体体电电解解质质膜膜以以及及铂铂电电极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91纳米太阳电池工作原理：纳米太阳电池工作原理：TiO2带带隙隙3.2eV，可可见见光光不不能能将将它它激激发发，在在TiO2表表面面吸吸附附染染料料光光敏敏化化剂剂，通通过过染染料料分分子子与与可可见见光光相相互互作作用用，电
68、电子子跃跃迁到迁到TiO2导带并进入电极，最后通过外电路产生光电流导带并进入电极，最后通过外电路产生光电流。TiO2膜膜通通常常制制成成海海绵绵状状纳纳米米多多孔孔膜膜，以以保保证证TiO2膜膜具具有有较较大的比表面积，产生较高的光吸收效率。大的比表面积，产生较高的光吸收效率。染染料料光光敏敏化化剂剂一一般般选选用用羧羧酸酸多多吡吡啶啶钌钌、磷磷酸酸多多吡吡啶啶钌钌、多多核核联联吡吡啶啶钌钌等等金金属属有有机机染染料料，化化学学稳稳定定性性高高，激激发发态态寿寿命命长，发光性能好。长，发光性能好。92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
69、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%。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，增增加加电电池可吸收太阳光的波长范围，提高光子转化电子效率；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 Cel
70、ls Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles, nano letters, doi.org/10.1021/nl203463z| Nano Lett93核能材料核能材料94核能被公认是能大规模取代常规能源的替代能源核能被公认是能大规模取代常规能源的替代能源。经过几十年的利用和发展，世界上已有经过几十年的利用和发展，世界上已有441座核电机座核电机组在运行，组在运行，核电站装机容量已达到核电站装机容量已达到3.68亿亿kW。世界能源消费结构如下表所示，由此可知世界能源世界能源消费结构如下表所示，由此可知世界能源的消费结构也正向核能方向倾斜。的消费结构也
71、正向核能方向倾斜。 世界能源消耗结构预测世界能源消耗结构预测年代年代石油石油天然气天然气煤煤核能核能水电水电其他其他197544.018.427.61.56.52.0200035.018.629.410.25.01.8203019.117.033.522.64.03.895我国我国能源缺口在很大程度上依靠核能补充能源缺口在很大程度上依靠核能补充。煤煤和和石石油油的的燃燃烧烧造造成成严严重重环环境境污污染染，我我国国许许多多城城市市污染物浓度达到世界前列。污染物浓度达到世界前列。在我国发展核电事业具有重要意义。在我国发展核电事业具有重要意义。广东大亚湾核电站广东大亚湾核电站浙江秦山核电站浙江秦山
72、核电站969798裂变反应堆材料裂变反应堆材料铀铀235或或钚钚239等等重重元元素素的的原原子子核核吸吸收收一一个个中中子子后后发发生生裂裂变变，分分裂裂成成两两个个质质量量大大致致相相同同的的新新原原子子核核，同同时时放放出出2-3个个中中子子。这这些些新新生生中中子子又又引引起起其其它它铀铀235或或钚钚239原子核裂变，产生原子核裂变，产生链式裂变反应链式裂变反应。核裂变示意图核裂变示意图99裂变能十分巨大裂变能十分巨大：铀：铀235原子每次裂变放出约原子每次裂变放出约200keV的能量，一个碳原子燃烧时放出的能量为的能量，一个碳原子燃烧时放出的能量为4.1eV，铀，铀的裂变能是碳燃烧
73、释能的的裂变能是碳燃烧释能的4.878万倍。万倍。实现裂变反应的装置称为裂变反应堆。实现裂变反应的装置称为裂变反应堆。热中子反应堆热中子反应堆100裂裂变变堆堆的的堆堆芯芯处处于于很很强强的的核核辐辐射射中中，具具有有各各种种严严重重的的辐辐照照效效应应，对对材材料料有有特特殊殊的的性性能能要要求求。堆堆芯芯材材料料主要有：主要有：燃燃料料组组件件用用材材料料：包包括括燃燃料料元元件件芯芯体体材材料料、燃燃料料元元件件包包壳材料、控制棒材料等；壳材料、控制棒材料等；慢化剂材料；慢化剂材料；冷却剂材料；冷却剂材料；控控制制材材料料：包包括括控控制制棒棒芯芯体体( (中中子子吸吸收收体体) )材材
74、料料、控控制制棒棒包壳材料和液体控制材料；包壳材料和液体控制材料；反射层材料；反射层材料；屏蔽材料；屏蔽材料；反应堆容器材料。反应堆容器材料。101核核燃燃料料是是含含有有易易裂裂变变核核素素(铀铀235、铀铀233、钚钚239中中任任一一种种)的的金金属属或或陶陶瓷瓷，作作为为燃燃料料元元件件(棒棒)的的芯芯体体，通常做成圆柱状、板状或粒状。通常做成圆柱状、板状或粒状。核燃料芯体核燃料芯体102如如果果核核燃燃料料与与冷冷却却剂剂直直接接接接触触，裂裂变变产产生生的的强强放放射射性性产产物物会会进进入入冷冷却却剂剂，严严重重污污染染系系统统，必必须须用用包包壳壳材料对燃料进行包覆，材料对燃料
75、进行包覆，如锆合金和镁合金等如锆合金和镁合金等。热中子反应堆内的中子需要慢化，热中子反应堆内的中子需要慢化，选用质量数接近选用质量数接近中子的轻原子核，核的中子散射截面要大，吸收截中子的轻原子核，核的中子散射截面要大，吸收截面要小面要小。热中子反应堆一般用轻水、重水、铍、石热中子反应堆一般用轻水、重水、铍、石墨等作慢化剂材料墨等作慢化剂材料。103对对反反应应堆堆的的链链式式裂裂变变反反应应进进行行控控制制通通常常是是容容易易吸吸收收中中子子的的材材料料，常常用用控控制制材材料料如如B4C、硼硼硅硅酸酸玻玻璃璃、Ag-In-Cd合金、合金、Hf等等。Hf与与反反应应堆堆冷冷却却剂剂的的相相容容
76、性性很很好好，可可直直接接用用裸裸露露的的金属金属Hf作为控制棒；作为控制棒；其其它它控控制制材材料料都都要要一一个个能能耐耐冷冷却却剂剂腐腐蚀蚀的的包包壳壳管管，常常用不锈钢。用不锈钢。反应堆控制棒反应堆控制棒反应堆控制棒的反应堆控制棒的包壳结构包壳结构104反反应应堆堆冷冷却却剂剂是是载载热热性性能能良良好好的的流流体体。在在热热中中子子堆堆中中不不能能过过多多吸吸收收中中子子，在在快快中中子子堆堆中中不不能能过过多多慢慢化化中中子子；另另外外，冷冷却却剂剂流流经经强强辐辐射射堆堆芯芯，要要考考虑虑辐辐射射是是否否会会引引起起分分解解：热热中中子子堆堆常常用用轻轻水水、重重水水、CO2、H
77、e；快中子反应堆则用液态金属钠；快中子反应堆则用液态金属钠。为为防防止止堆堆芯芯中中子子泄泄漏漏，堆堆芯芯周周围围设设置置反反射射层层，尽尽可可能能将将泄泄漏漏中中子子反反射射回回堆堆芯芯。反反射射层层要要求求中中子子散散射射截截面面大大，中中子子吸吸收收截截面面尽尽量量小小，如如Be块块、石石墨墨块块等等，也也可可液液体体充充注注堆堆芯芯周周围围反反射射中中子子，如如水水兼兼作作慢慢化化剂剂、冷却剂和反射层冷却剂和反射层。105屏屏蔽蔽材材料料依依据据核核辐辐射射特特性性有有所所不不同同：屏屏蔽蔽射射线线要要用用高高密密度度固固体体，如如铅铅、重重混混凝凝土土等等；屏屏蔽蔽热热中中子子用用热
78、热中子吸收材料，如硼钢、中子吸收材料，如硼钢、B4C/Al复合材料等复合材料等。反反应应堆堆容容器器是是反反应应堆堆的的一一道道安安全全屏屏障障，必必须须十十分分可可靠靠。对对于于热热中中子子堆堆，冷冷却却剂剂压压力力很很高高，容容器器还还受受到到高高能能中中子子照照射射，必必须须考考虑虑辐辐照照脆脆性性，一一般般采采用用高高强强度钢，如度钢，如A-508。106核能飞船核能飞船- -漫游漫游者一号探测火星者一号探测火星俄台风级核潜艇俄台风级核潜艇美乔治布什号核美乔治布什号核动力航空母舰动力航空母舰107聚变堆材料聚变堆材料两两个个轻轻原原子子核核融融合合形形成成重重原原子子核核，叫叫做做核核
79、聚聚变变，同同时时放出更大的能量放出更大的能量。要要使使两两个个核核融融合合发发生生聚聚变变反反应应，须须克克服服它它们们间间的的静静电电斥力，可用斥力，可用“受约束的高温等离子体受约束的高温等离子体”方案来实现。方案来实现。核聚变原理示意图核聚变原理示意图氢弹爆炸场景氢弹爆炸场景受控热核聚变装置受控热核聚变装置108聚变材料主要有以下几种：聚变材料主要有以下几种：聚变核燃料聚变核燃料：主要是氘和氚主要是氘和氚。氘氘增增值值材材料料：有有一一定定的的氘氘增增殖殖能能力力，化化学学稳稳定定性性好好，与与第第一一壁壁结结构构和和冷冷却却剂剂有有好好的的相相容容性性，一一般般选选用用与与中中子子反反
80、应应生生成成氘氘的的材材料料，如如Al-Li合合金金、Li2O、偏偏铝铝酸酸锂锂(LiAlO2)、偏偏锆锆酸酸锂锂(LiZrO2)等等，还还有有液液态态锂锂铅铅合金等。合金等。中中子子倍倍增增材材料料：主主要要是是铍铍(Be)、铅铅(Pb)、铋铋(Bi)和和锆锆(Zr)及及含含有有这这些些元元素素的的化化合合物物或或合合金金，如如Zr3Pb2、PbO和和Pb-Bi合金等。合金等。109第第一一壁壁材材料料；第第一一壁壁是是聚聚变变装装置置包包容容等等离离子子体体区区和和真真空空区区的的部部件件，它它与与周周围围氘氘增增值值区区结结构构紧紧密密相相连连。第第一一壁壁经经受受很很强强的的高高能能中中子子和和聚聚变变反反应应生生成成的的高高能能氦的轰击，辐照效应很严重氦的轰击，辐照效应很严重。第第一一壁壁覆覆盖盖材材料料：选选择择与与等等离离子子体体相相容容作作用用性性好好的的材材料料，如如铍铍、石石墨墨、碳碳化化硅硅以以及及碳碳/碳碳、碳碳/碳碳化化硅硅纤纤维维强强化化复复合合材料材料。第第一一壁壁结结构构材材料料：在在高高温温、高高中中子子负负荷荷下下有有合合适适的的工工作作寿寿命命，如如奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢、铁铁素素体体不不锈锈钢钢、钒钒、钛钛、铌铌、钼等合金。钼等合金。
