現(xiàn)代新型材料與納米材料新能源材料

1、1主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)新能源材料能把原來(lái)使用的能源轉(zhuǎn)變成新能源新能源材料能把原來(lái)使用的能源轉(zhuǎn)變成新能源；新能源材料可提高貯能效率，有效進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換新能源材料可提高貯能效率，有效進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換；新能源材料可以增加能源利用的新途徑。新能源材料可以增加能源利用的新途徑。內(nèi)蒙古四王子旗太陽(yáng)能電池光伏電站內(nèi)蒙古四王子旗太陽(yáng)能電池光伏電站太陽(yáng)能熱水器太陽(yáng)能熱水器2儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫材料 3 氫能利用關(guān)鍵是高密度安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)氫能利用關(guān)鍵是高密度安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)。 氫密度很小，單位重量體積很大。目前市售氫氣一氫密度很小，單位重量體積很大。目前市售氫氣一般是在般是在150個(gè)大氣壓下儲(chǔ)存在鋼瓶?jī)?nèi)，氫氣重量不到個(gè)大氣壓

2、下儲(chǔ)存在鋼瓶?jī)?nèi)，氫氣重量不到鋼瓶重量的鋼瓶重量的1/100，且有爆炸危險(xiǎn)，很不方便。，且有爆炸危險(xiǎn)，很不方便。 為解決氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題，人們研發(fā)了相應(yīng)的儲(chǔ)為解決氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題，人們研發(fā)了相應(yīng)的儲(chǔ)氫材料，主要包括氫材料，主要包括活性炭、無(wú)機(jī)化合物、有機(jī)化合活性炭、無(wú)機(jī)化合物、有機(jī)化合物以及合金化合物四大類儲(chǔ)氫材料物以及合金化合物四大類儲(chǔ)氫材料。常用高壓氫氣瓶常用高壓氫氣瓶4活性炭?jī)?chǔ)氫活性炭?jī)?chǔ)氫 活性炭比表面積可達(dá)活性炭比表面積可達(dá)2000m2/g以上，低溫加壓可吸附儲(chǔ)氫。以上，低溫加壓可吸附儲(chǔ)氫?；钚蕴炕钚蕴吭弦椎?，吸附儲(chǔ)氫和原料易得，吸附儲(chǔ)氫和放氫操作都比較簡(jiǎn)單放氫操作都比較簡(jiǎn)單。 富

3、勒烯富勒烯(C60)和碳納米管和碳納米管(CNT)對(duì)氫氣具有較強(qiáng)的吸附作用。對(duì)氫氣具有較強(qiáng)的吸附作用。單層碳納米管的吸氫量比活性單層碳納米管的吸氫量比活性炭高，炭高，H2的吸附量可達(dá)的吸附量可達(dá)5-10(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))，有望成為新一，有望成為新一代儲(chǔ)氫材料代儲(chǔ)氫材料。富勒烯富勒烯C60碳納迷管碳納迷管5無(wú)機(jī)化合物儲(chǔ)氫無(wú)機(jī)化合物儲(chǔ)氫 某些無(wú)機(jī)化合物和氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可儲(chǔ)氫，然后某些無(wú)機(jī)化合物和氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可儲(chǔ)氫，然后在一定條件下分解可放氫。在一定條件下分解可放氫。 利用利用碳酸氫鹽與甲酸鹽之間相互轉(zhuǎn)化碳酸氫鹽與甲酸鹽之間相互轉(zhuǎn)化，吸氫和放氫，吸氫和放氫反應(yīng)為：反應(yīng)為： 以活性炭作載體，在

4、以活性炭作載體，在Pd或或PdO的催化作用下，以的催化作用下，以KHCO3或或NaHCO3作為儲(chǔ)氫劑，儲(chǔ)氫量約為作為儲(chǔ)氫劑，儲(chǔ)氫量約為2(質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)量分?jǐn)?shù))。 該法優(yōu)點(diǎn)是原料易得、儲(chǔ)存方便、安全性好，但儲(chǔ)該法優(yōu)點(diǎn)是原料易得、儲(chǔ)存方便、安全性好，但儲(chǔ)氫量比較小，催化劑價(jià)格較貴。氫量比較小，催化劑價(jià)格較貴。釋氫，70，0.1MPa吸氫，35，2.0MPaOHHCO2223HHCO 6有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫 借助儲(chǔ)氫載體借助儲(chǔ)氫載體(如苯和甲苯等如苯和甲苯等)與與H2的可逆反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，的可逆反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括催化加氫反應(yīng)和催化脫氫反應(yīng)。包括催化加氫反應(yīng)和催化脫氫反應(yīng)。 該法儲(chǔ)氫量大，該法

5、儲(chǔ)氫量大，環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷的理論儲(chǔ)氫量分別環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷的理論儲(chǔ)氫量分別為為7.19和和6.18(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))，比高壓儲(chǔ)氫和金屬氫化物，比高壓儲(chǔ)氫和金屬氫化物儲(chǔ)氫的實(shí)際量都大。儲(chǔ)氫的實(shí)際量都大。儲(chǔ)氫載體苯和甲苯可循環(huán)使用，其儲(chǔ)氫載體苯和甲苯可循環(huán)使用，其儲(chǔ)存和運(yùn)輸都很安全方便。儲(chǔ)存和運(yùn)輸都很安全方便。 催化加氫和催化脫氫裝置和投資費(fèi)用較大，儲(chǔ)氫操作比催化加氫和催化脫氫裝置和投資費(fèi)用較大，儲(chǔ)氫操作比較復(fù)雜。較復(fù)雜。其中R=H、CH4H2，供用戶使用H2，制氫工廠儲(chǔ)存、運(yùn)輸儲(chǔ)存、運(yùn)輸催化脫氫催化加氫RHC56RHC116RHC116RHC567合金化合物儲(chǔ)氫合金化合物儲(chǔ)氫 在一定溫度和

6、氫氣壓力下能多次吸收、儲(chǔ)存和釋放在一定溫度和氫氣壓力下能多次吸收、儲(chǔ)存和釋放氫氣的合金被稱為氫氣的合金被稱為儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫合金。 氫原子容易進(jìn)入金屬晶格的四面體或八面體間隙，氫原子容易進(jìn)入金屬晶格的四面體或八面體間隙，形成金屬氫化物，如形成金屬氫化物，如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。等。氫原子在合金化合物中的占位：氫原子在合金化合物中的占位：(a)四面體；四面體；(b)八面體八面體a ab b8 儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫合金可儲(chǔ)存比其體積大可儲(chǔ)存比其體積大1000-1300倍的氫倍的氫，而且，而且合金中存儲(chǔ)的氫表現(xiàn)為合金中存儲(chǔ)的氫表現(xiàn)為H與與

7、H+之間的中間特性，結(jié)之間的中間特性，結(jié)合力較弱，當(dāng)金屬氫化物受熱時(shí)又可釋放氫氣。合力較弱，當(dāng)金屬氫化物受熱時(shí)又可釋放氫氣。0123450123454.2wt%Carbon nanotube(RT,10MPa 氫壓)3.6wt%1.8wt%1.4wt%Hydrogen storage capacity (wt%) LaNi5H6 TiFeH1.9 Mg2NiH4 Hydrogen storage capacity (wt%) per weight儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫量比較儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫量比較9 儲(chǔ)氫合金材料達(dá)到實(shí)用目的，必須滿足下列要求：儲(chǔ)氫合金材料達(dá)到實(shí)用目的，必須滿足下列要求：儲(chǔ)氫量大，能量密度

8、高儲(chǔ)氫量大，能量密度高；吸氫和放氫速度快吸氫和放氫速度快；氫化物生成熱小氫化物生成熱?。?分解壓適中分解壓適中：容易活化容易活化；化學(xué)穩(wěn)定性好化學(xué)穩(wěn)定性好；在儲(chǔ)運(yùn)中安全、無(wú)害在儲(chǔ)運(yùn)中安全、無(wú)害；原料來(lái)源廣、成本價(jià)廉原料來(lái)源廣、成本價(jià)廉。四川大學(xué)材料學(xué)院儲(chǔ)氫材料四川大學(xué)材料學(xué)院儲(chǔ)氫材料課題組首創(chuàng)低成本課題組首創(chuàng)低成本V-Ti-Cr-Fe四元合金體系：四元合金體系：在溫和在溫和條件下可快速吸氫飽條件下可快速吸氫飽和和:40，6min10 儲(chǔ)氫合金材料主要有：儲(chǔ)氫合金材料主要有：稀土系列、鎂鎳系列、鈦稀土系列、鎂鎳系列、鈦合金系列等合金系列等。 大多數(shù)金屬氫化物儲(chǔ)氫量在大多數(shù)金屬氫化物儲(chǔ)氫量在1-4

9、(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))、能量密度高，所需費(fèi)用明顯低于深冷液化儲(chǔ)氣和能量密度高，所需費(fèi)用明顯低于深冷液化儲(chǔ)氣和高壓儲(chǔ)氫，原料易得，安全可靠高壓儲(chǔ)氫，原料易得，安全可靠。儲(chǔ)氫合金已成。儲(chǔ)氫合金已成為各國(guó)都積極研發(fā)的一種很有前途的儲(chǔ)氫方法。為各國(guó)都積極研發(fā)的一種很有前途的儲(chǔ)氫方法。我國(guó)生產(chǎn)的稀土儲(chǔ)氫合金我國(guó)生產(chǎn)的稀土儲(chǔ)氫合金11稀土系儲(chǔ)氫合金稀土系儲(chǔ)氫合金 LaNi5是稀土系儲(chǔ)氫合金的典型代表是稀土系儲(chǔ)氫合金的典型代表，由荷蘭，由荷蘭Philip實(shí)驗(yàn)室于實(shí)驗(yàn)室于1969年首先研制。年首先研制。 LaNi5在室溫下可與一定壓力的氫氣反應(yīng)形成氫化物在室溫下可與一定壓力的氫氣反應(yīng)形成氫化物，如下式所示：，如

10、下式所示： LaNi5具有優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能，塊狀具有優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能，塊狀LaNi5合金儲(chǔ)氫量合金儲(chǔ)氫量約約1.4(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))，分解壓適中平坦，活化容易，分解壓適中平坦，活化容易，具有良好的動(dòng)力學(xué)特性和抗雜質(zhì)氣體中毒性。具有良好的動(dòng)力學(xué)特性和抗雜質(zhì)氣體中毒性。 6525HLaNi3HaNiL 12 LaNi5成本高，大規(guī)模應(yīng)用受限，因此發(fā)展成本高，大規(guī)模應(yīng)用受限，因此發(fā)展置換置換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混合稀土混合稀土(Mm)代替代替La可研制

11、廉價(jià)的可研制廉價(jià)的MmNi5儲(chǔ)儲(chǔ)氫合金，在氫合金，在MmNi5基礎(chǔ)上開發(fā)多元合金，如基礎(chǔ)上開發(fā)多元合金，如MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等等)系列，系列，不不僅保持僅保持LaNi5的優(yōu)良特性，而且在儲(chǔ)氫量和動(dòng)力學(xué)特的優(yōu)良特性，而且在儲(chǔ)氫量和動(dòng)力學(xué)特性方面優(yōu)于性方面優(yōu)于LaNi5，價(jià)格僅為純，價(jià)格僅為純La的的1/5。13鈦系儲(chǔ)氫合金鈦系儲(chǔ)氫合金 TiFe具有優(yōu)良儲(chǔ)氫特性具有優(yōu)良儲(chǔ)氫特性，吸氫量約，吸氫量約1.75(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù))，室溫下釋氫壓力約為，室溫下釋氫壓力約為0.1MPa。價(jià)格較低，具有很。價(jià)格較低，具有很大實(shí)用價(jià)值。大實(shí)用價(jià)值。 TiFe活化困難

12、，須在活化困難，須在450和和5MPa壓力下進(jìn)行活化；壓力下進(jìn)行活化；抗毒性弱抗毒性弱(特別是特別是O2)，反復(fù)吸釋氫后性能下降。，反復(fù)吸釋氫后性能下降。 為改善為改善TiFe合金儲(chǔ)氫特性，可用過渡元素合金儲(chǔ)氫特性，可用過渡元素(M)置換部置換部分鐵形成分鐵形成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等等)。TiFe0.8Mn0.2可在室溫可在室溫3MPa氫壓下活化，生成氫壓下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.05氫化物，儲(chǔ)氫量達(dá)到氫化物，儲(chǔ)氫量達(dá)到1.9wt。14鎂系儲(chǔ)氫合金鎂系儲(chǔ)氫合金 在在300-400和較高氫壓下，和較高氫壓下，Mg2Ni與氫生成與氫生成Mg2NiH4

13、，含氫量為，含氫量為3.65wt，理論儲(chǔ)氫量可達(dá)，理論儲(chǔ)氫量可達(dá)6%，但其穩(wěn)定性強(qiáng)，釋氫困難。，但其穩(wěn)定性強(qiáng)，釋氫困難。 用用Ca和和A1取代部分取代部分Mg形成形成Mg2-xMxNi，氫比物離，氫比物離解速度比解速度比Mg2Ni增大增大40以上，活化容易，具有良以上，活化容易，具有良好的儲(chǔ)氫性能，性質(zhì)穩(wěn)定。好的儲(chǔ)氫性能，性質(zhì)穩(wěn)定。 利用過渡元素利用過渡元素(M)置換置換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)，也可改善吸也可改善吸/釋氫的速度，具有實(shí)用價(jià)值。釋氫的速度，具有實(shí)用價(jià)值。15儲(chǔ)氫合金的應(yīng)用儲(chǔ)氫合金的應(yīng)用 氫儲(chǔ)存是儲(chǔ)氫

14、合金最基本的應(yīng)用。氫儲(chǔ)存是儲(chǔ)氫合金最基本的應(yīng)用。 金屬氫化物儲(chǔ)氫密度高，采用金屬氫化物儲(chǔ)氫密度高，采用Mg2Ni制成的儲(chǔ)氫容制成的儲(chǔ)氫容器與高壓器與高壓(20MPa)鋼瓶和深冷液化儲(chǔ)氫裝置相比，鋼瓶和深冷液化儲(chǔ)氫裝置相比，在儲(chǔ)氫量相等的情況下，三者質(zhì)量比為在儲(chǔ)氫量相等的情況下，三者質(zhì)量比為1：1.4：1.2，體積比為，體積比為1：4：1.3；儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫無(wú)需高壓或低溫設(shè)施，節(jié)省能源；儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫無(wú)需高壓或低溫設(shè)施，節(jié)省能源；氫以金屬氫化物形式存在儲(chǔ)氫合金中，安全可靠氫以金屬氫化物形式存在儲(chǔ)氫合金中，安全可靠，便于氫的運(yùn)輸和傳遞。，便于氫的運(yùn)輸和傳遞。16 儲(chǔ)氫合金可分離氫氣。儲(chǔ)氫合金可分離氫氣

15、?；旌蠚怏w混合氣體流過儲(chǔ)氫合金分離床，氫被吸收流過儲(chǔ)氫合金分離床，氫被吸收形成金屬氫化物，雜質(zhì)排出；加形成金屬氫化物，雜質(zhì)排出；加熱金屬氫化物，得到回收氫氣。熱金屬氫化物，得到回收氫氣。反復(fù)提純可獲得高純氫氣，反復(fù)提純可獲得高純氫氣， 每年大量含氫尾氣放空每年大量含氫尾氣放空(僅合成僅合成氨工業(yè)全國(guó)每年放空尾氣數(shù)十億氨工業(yè)全國(guó)每年放空尾氣數(shù)十億m3，含有，含有50-60%的氫氣的氫氣)，回，回收利用可提供大量廉價(jià)氫氣，得收利用可提供大量廉價(jià)氫氣，得到巨大的能源補(bǔ)充。到巨大的能源補(bǔ)充。氫氣純化裝置氫氣純化裝置氫氣純化工廠氫氣純化工廠17 某些儲(chǔ)氫合金的氫化物同氘、某些儲(chǔ)氫合金的氫化物同氘、氚化物

16、相比，同一溫度下吸釋氚化物相比，同一溫度下吸釋氘氚的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性有氘氚的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性有較大差別，可用于較大差別，可用于氫同位素的氫同位素的分離。分離。 TiNi合金吸收合金吸收D2的速率為的速率為H2的的1/10，將含，將含7%D2的的H2導(dǎo)入到導(dǎo)入到TiNi合金中，每通過一次可使合金中，每通過一次可使D2濃縮濃縮50%，通過多次壓縮和，通過多次壓縮和吸收，氘的濃度可迅速提高，吸收，氘的濃度可迅速提高，同時(shí)回收大量高純同時(shí)回收大量高純H2。氫同位素的應(yīng)用氫同位素的應(yīng)用18 金屬氫化物也是理想的能量轉(zhuǎn)換材料。金屬氫化物也是理想的能量轉(zhuǎn)換材料。 氫化物熱泵氫化物熱泵：以氫氣為工作介質(zhì)，

17、儲(chǔ)氫合金為能量：以氫氣為工作介質(zhì)，儲(chǔ)氫合金為能量轉(zhuǎn)換材料，相同溫度下分解壓不同的兩種氫化物組轉(zhuǎn)換材料，相同溫度下分解壓不同的兩種氫化物組成熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)，以它們的平衡壓差驅(qū)動(dòng)氫氣流成熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)，以它們的平衡壓差驅(qū)動(dòng)氫氣流動(dòng)，使兩種氫化物分別處于動(dòng)，使兩種氫化物分別處于吸氫吸氫(放熱放熱)和和放氫放氫(吸熱吸熱)狀態(tài)，達(dá)到升溫、增熱或制冷目的。狀態(tài)，達(dá)到升溫、增熱或制冷目的。 德國(guó)用德國(guó)用LaNi5/Ti0.9Zr0.1CrMn合金獲得合金獲得-25低溫；低溫； 日本用日本用MmNiMnAl/MmNiMnCo制備制冷系統(tǒng)，連制備制冷系統(tǒng)，連續(xù)獲得續(xù)獲得-20低溫，制冷功率為低溫，制冷功率為9

18、00-1000W。19 儲(chǔ)氫合金電極替代儲(chǔ)氫合金電極替代NiCd電池中的電池中的Cd負(fù)極，組成鎳負(fù)極，組成鎳-氫化物電池，氫化物電池，不但具有高能量密度，而且耐過充，不但具有高能量密度，而且耐過充，放電能力強(qiáng)，無(wú)重金屬放電能力強(qiáng)，無(wú)重金屬Cd對(duì)人體和環(huán)境的危害。對(duì)人體和環(huán)境的危害。儲(chǔ)氫合金在鎳氫電池上的應(yīng)用儲(chǔ)氫合金在鎳氫電池上的應(yīng)用20新型二次電池材料新型二次電池材料21 一次電池使用后常隨普通垃圾一起被丟棄或掩埋，一次電池使用后常隨普通垃圾一起被丟棄或掩埋，造成資源浪費(fèi)，同時(shí)電池中的重金屬元素泄露也會(huì)造成資源浪費(fèi)，同時(shí)電池中的重金屬元素泄露也會(huì)污染地下水和土壤。污染地下水和土壤。 二次電池或

19、蓄電池：二次電池或蓄電池：放電時(shí)通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能放電時(shí)通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，充電時(shí)則使體系回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，將電能以化學(xué)，充電時(shí)則使體系回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，將電能以化學(xué)能形式重新儲(chǔ)存起來(lái)。能形式重新儲(chǔ)存起來(lái)。鎳氫充電電池鎳氫充電電池Li離子充電電池離子充電電池22 傳統(tǒng)二次電池如鉛酸電池和鎘鎳電池理論比能量低傳統(tǒng)二次電池如鉛酸電池和鎘鎳電池理論比能量低，且鉛和鎘都是有毒金屬，對(duì)環(huán)境污染極大。，且鉛和鎘都是有毒金屬，對(duì)環(huán)境污染極大。 目前應(yīng)用較廣的是目前應(yīng)用較廣的是鎳氫電池鎳氫電池(表示為表示為Ni/MH電池電池)和鋰和鋰離子電池離子電池(表示為表示為L(zhǎng)IB電池電池)，不但性能優(yōu)良，而且污，不但性

20、能優(yōu)良，而且污染較小，被稱為綠色電池。染較小，被稱為綠色電池。鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池NiCd充電電池充電電池23Ni/MH鎳氫二次電池鎳氫二次電池 Ni/MH電池的正極材料采用電池的正極材料采用Ni(OH)2，負(fù)極材料為，負(fù)極材料為儲(chǔ)氫合金，電解質(zhì)為儲(chǔ)氫合金，電解質(zhì)為KOH水溶液。水溶液。 與與Ni/Cd電池相比，電池相比，Ni/MH電池具有以下優(yōu)點(diǎn)電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：能量密度是能量密度是Ni/Cd電池的電池的1.5-2倍；倍；充放電速率高；充放電速率高；耐過充和過放性能好；耐過充和過放性能好；使用壽命長(zhǎng)；使用壽命長(zhǎng)；低溫性能好；低溫性能好；無(wú)無(wú)Cd元素對(duì)環(huán)境的污染。元素對(duì)環(huán)境的污染。 Ni/MH

21、二次電池二次電池24 Ni/MH電池在充放電中產(chǎn)生如下電極反應(yīng)，工作原電池在充放電中產(chǎn)生如下電極反應(yīng)，工作原理如圖所示：理如圖所示： 正極：正極： 負(fù)極：負(fù)極： 電池反應(yīng)：電池反應(yīng)：-2OHi(OH)N 放充eOHNiOOH2 eOHM2 OHMH放充放充M(OH)Ni2 MHNiOOH Ni/MHNi/MH電池工作原理電池工作原理25 Ni/MH電池的正極材料是電池的正極材料是Ni(OH)2，電池負(fù)極材料電池負(fù)極材料主要是儲(chǔ)氫合金主要是儲(chǔ)氫合金，其種類如表所示。，其種類如表所示。典型的典型的Ni/MH負(fù)極材料及特征負(fù)極材料及特征合金合金類型類型 典型氫化物典型氫化物 合金組成合金組成 吸氫質(zhì)

22、吸氫質(zhì)量量/% 電化學(xué)容電化學(xué)容/(mAh/g) 理論值理論值 實(shí)際值實(shí)際值 AB5LaNi5H6MmNi3.5-4(MnAl)0.3-0.8Co0.2-1.31.3348330AB2ZrMn2H3Zr1-xTixNia(MnV)b(CoFeCr)c1.8482420ABTiFeH2ZrNi1.4, TiNi2.0536350A2BMg2NiH4Mg2Ni3.6965500固溶體固溶體V0.8Ti0.2H0.8V4-x(NbTaTiCo)xNi0.53.8101850026 電解質(zhì)需要有高的離子傳導(dǎo)能力，目前使用的電解質(zhì)需要有高的離子傳導(dǎo)能力，目前使用的Ni/MH電池的電解質(zhì)是電池的電解質(zhì)是K

23、OH水溶液水溶液。KOH水溶液具有強(qiáng)腐蝕性，液體電解質(zhì)給電池加制水溶液具有強(qiáng)腐蝕性，液體電解質(zhì)給電池加制作帶來(lái)不便。作帶來(lái)不便。 用高導(dǎo)電性能的固體或凝膠電解質(zhì)替代用高導(dǎo)電性能的固體或凝膠電解質(zhì)替代KOH是是Ni/MH電池的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)電池的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。 研究表明，采用高吸水和高親水能力的聚合物凝膠研究表明，采用高吸水和高親水能力的聚合物凝膠作為電解質(zhì)，電池的電化學(xué)性能與普通作為電解質(zhì)，電池的電化學(xué)性能與普通KOH電解電解質(zhì)電池相近。質(zhì)電池相近。27 Ni/MH電池開發(fā)重點(diǎn)是電池開發(fā)重點(diǎn)是大功率、高容量方向大功率、高容量方向。國(guó)際。國(guó)際上主要汽車公司如上主要汽車公司如GM、Ford和和Toy

24、ota等相繼開發(fā)等相繼開發(fā)出出Ni/MH電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車， GM公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的Ni/MH電池動(dòng)力車，單次充電后可電池動(dòng)力車，單次充電后可行駛行駛225km，時(shí)速為，時(shí)速為150公里。公里。GM生產(chǎn)的生產(chǎn)的EVI汽車，用汽車，用26個(gè)個(gè)12V的電的電池，池，3小時(shí)充電后時(shí)速可達(dá)到小時(shí)充電后時(shí)速可達(dá)到150公里公里28LIB鋰離子二次電池鋰離子二次電池 Li是最輕的金屬元素是最輕的金屬元素，它的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是，它的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-3.045V，是是金屬中負(fù)電位最大的元素金屬中負(fù)電位最大的元素，因此，因此Li負(fù)極電池的開發(fā)負(fù)極電池的開發(fā)受到極大重視，與受到極大重視

25、，與Ni/MH電池性能的比較如下。電池性能的比較如下。普通普通Ni/MH，LIB及及Ni/Cd電池性能比較電池性能比較技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)Ni/CdNi/MHLIB工作電壓工作電壓/V1.21.23.7質(zhì)量比能量質(zhì)量比能量/(Wh/kg)30-5050-70100-150體積比能量體積比能量/(Wh/L)150200270沖放電壽命沖放電壽命/次次500500100029 LIB電池具有工作電壓高、比能量高、容量大、循環(huán)電池具有工作電壓高、比能量高、容量大、循環(huán)特性好、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，而且特性好、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，而且LIB無(wú)記憶效無(wú)記憶效應(yīng)應(yīng)，不需將電放盡后再充電；，不需將電放盡后再充

26、電；LIB自放電小，每月在自放電小，每月在10以下，以下，Ni/MH電池自放電一般為電池自放電一般為30-40。 僅僅2000年，日本就銷售了年，日本就銷售了4億多只億多只Li電池。電池。移動(dòng)電話移動(dòng)電話Li電池電池?cái)?shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)Li電池電池筆記本筆記本Li電池電池30 LIB電池是一種電池是一種Li離子濃度差電池離子濃度差電池，充放電中，充放電中，Li離離子在正負(fù)極之間往返嵌入和脫嵌。子在正負(fù)極之間往返嵌入和脫嵌。 充電時(shí)，充電時(shí)，Li離子從正極脫嵌，通過電解質(zhì)和隔膜，離子從正極脫嵌，通過電解質(zhì)和隔膜，嵌入負(fù)極嵌入負(fù)極，使負(fù)極處于富，使負(fù)極處于富Li離子態(tài)，正極處于貧離子態(tài)，正極處于貧Li

27、態(tài)；態(tài)；放電時(shí)，放電時(shí)，Li離子從負(fù)極脫嵌進(jìn)入正極離子從負(fù)極脫嵌進(jìn)入正極。鋰離子二次電池工作示意圖鋰離子二次電池工作示意圖31 LIB負(fù)極材料負(fù)極材料LIB負(fù)極材料的演變過程負(fù)極材料的演變過程負(fù)極材料負(fù)極材料金屬鋰金屬鋰鋰合金鋰合金碳材料碳材料氧化物氧化物納米合金納米合金容量容量/(mAh/g)34007903727002000年代年代19651971199019951998金屬金屬Li容量最高，但在容量最高，但在LIB電池的長(zhǎng)期充放電中，電池的長(zhǎng)期充放電中， Li與有機(jī)電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生與有機(jī)電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生枝晶生長(zhǎng)枝晶生長(zhǎng)，并形成，并形成樹枝狀沉積物樹枝狀沉積物，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。，

28、導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。32 LIB電池以電池以炭材料替代炭材料替代Li負(fù)極、高電位的負(fù)極、高電位的LiCoO2作作正極的二次電池后正極的二次電池后，循環(huán)性能和安全性能得到大，循環(huán)性能和安全性能得到大幅度提高，其電池反應(yīng)為：幅度提高，其電池反應(yīng)為： 正極：正極： 負(fù)極：負(fù)極： 電池：電池：2LiCoO放充eLiCoO2 放充eLiC6 6LiC放充6CLiCoO2 62LiCCoO 不同形狀的不同形狀的LiLi離子電池離子電池33 納米碳材料具有傳統(tǒng)碳材料無(wú)法納米碳材料具有傳統(tǒng)碳材料無(wú)法比擬的高比容量比擬的高比容量。 納米碳管由于特殊的管狀結(jié)構(gòu)，納米碳管由于特殊的管狀結(jié)構(gòu)，Li離子不僅可嵌入管內(nèi)，還

29、可嵌入離子不僅可嵌入管內(nèi)，還可嵌入管壁縫隙，具有嵌入深度小、過管壁縫隙，具有嵌入深度小、過程短、嵌入位置多等優(yōu)點(diǎn)，可提程短、嵌入位置多等優(yōu)點(diǎn)，可提高高Li離子電池的充放電容量離子電池的充放電容量。 用納米碳管作負(fù)極，電池理論容用納米碳管作負(fù)極，電池理論容量超過石墨嵌量超過石墨嵌Li化合物理論容量一化合物理論容量一倍以上。倍以上。納米碳管的顯微形貌納米碳管的顯微形貌納米碳管的顯微結(jié)構(gòu)納米碳管的顯微結(jié)構(gòu)34 LIB電池的電池的Li離子源由正極材料提供。離子源由正極材料提供。LiCoO2是最是最早商品化的正極材料。由于早商品化的正極材料。由于Co資源少資源少(地球已探明地球已探明Co儲(chǔ)量為儲(chǔ)量為10

30、00萬(wàn)噸，而萬(wàn)噸，而Mn量是量是Co的的500倍倍)，人們，人們開發(fā)了開發(fā)了LiNiO2、LiMn2O4材料。材料。LIB正極材料的性能正極材料的性能正極正極材料材料理論比容量理論比容量(mAh/g)實(shí)際比容量實(shí)際比容量(mAh/g)密度密度(g/cm3)特點(diǎn)特點(diǎn)LiCoO2275130-1405.00性能穩(wěn)定，放電電壓性能穩(wěn)定，放電電壓穩(wěn)定，價(jià)格高穩(wěn)定，價(jià)格高LiNiO2274170-1804.78熱穩(wěn)定性差熱穩(wěn)定性差LiMn2O4148100-1204.28安全性高，高溫循環(huán)安全性高，高溫循環(huán)和存放性差，價(jià)格低和存放性差，價(jià)格低35燃料電池材料燃料電池材料 36 燃料電池是直接將儲(chǔ)存在燃料

31、和氧化劑中的化學(xué)能燃料電池是直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效且與環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的材料高效且與環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的材料。它是繼水。它是繼水力、熱能和核能發(fā)電后的力、熱能和核能發(fā)電后的第四種發(fā)電技術(shù)第四種發(fā)電技術(shù)。 燃料電池與二次電池不同的是燃料電池與二次電池不同的是不在內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量，不在內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量，利用輸入燃料與氧的氧化還原反應(yīng)輸出電能利用輸入燃料與氧的氧化還原反應(yīng)輸出電能。甲醇燃料電池（甲醇燃料電池（DMFC）37 許多國(guó)家投入大量人力和財(cái)力進(jìn)行燃料電許多國(guó)家投入大量人力和財(cái)力進(jìn)行燃料電池研究，相繼開發(fā)：池研究，相繼開發(fā)：堿性氫氧燃料電池堿性氫氧燃料電池AFC磷酸型燃料電池磷酸

32、型燃料電池PAFC熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池MCFC固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池SOFC質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC甲醇燃料電池甲醇燃料電池DMFC堿性氫氧燃料電池堿性氫氧燃料電池磷酸燃料電池磷酸燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池38堿性氫氧燃料電池堿性氫氧燃料電池AFC 1952年，培根研制出具有堿性年，培根研制出具有堿性氫氧燃料電池氫氧燃料電池(AFC)，標(biāo)志著，標(biāo)志著燃料電池進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。燃料電池進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。 培根電池的電極材料為培根電池的電極材料為Ni，電，電解質(zhì)

33、為濃度解質(zhì)為濃度30的的KOH溶液溶液，氫為燃料，氧為氧化劑。，氫為燃料，氧為氧化劑。 工作電壓為工作電壓為30V，平均輸出功，平均輸出功率率600W，工作壽命大于，工作壽命大于400h，成為，成為Apllo登月飛船電源。登月飛船電源。氫氧燃料電池構(gòu)造示意圖氫氧燃料電池構(gòu)造示意圖39 航天用堿性燃料電池是石棉膜堿性燃料電池航天用堿性燃料電池是石棉膜堿性燃料電池。電池用含電池用含32KOH水溶液的石棉體作電池隔膜，平均輸水溶液的石棉體作電池隔膜，平均輸出功率出功率7kW，電壓為，電壓為30V，壽命達(dá)到，壽命達(dá)到2500h。哥倫比亞號(hào)、挑戰(zhàn)者號(hào)等航天飛機(jī)使用石棉膜堿性燃料電哥倫比亞號(hào)、挑戰(zhàn)者號(hào)等航

34、天飛機(jī)使用石棉膜堿性燃料電池，累計(jì)飛行時(shí)間超過池，累計(jì)飛行時(shí)間超過27000h。哥倫比亞號(hào)哥倫比亞號(hào)發(fā)現(xiàn)者號(hào)發(fā)現(xiàn)者號(hào)挑戰(zhàn)者號(hào)挑戰(zhàn)者號(hào)40 為適應(yīng)未來(lái)為適應(yīng)未來(lái)1000kW級(jí)、超長(zhǎng)壽命的航天電源要求，級(jí)、超長(zhǎng)壽命的航天電源要求，堿性燃料電池改進(jìn)后工作壽命延長(zhǎng)到堿性燃料電池改進(jìn)后工作壽命延長(zhǎng)到105h。 AFC另一重要應(yīng)用領(lǐng)域是作為潛艇動(dòng)力電源另一重要應(yīng)用領(lǐng)域是作為潛艇動(dòng)力電源，德國(guó)，德國(guó)西門子公司已開發(fā)出西門子公司已開發(fā)出100kW的的AFC在潛艇上使用。在潛艇上使用。阿穆爾潛艇的燃料電池組阿穆爾潛艇的燃料電池組俄基洛級(jí)常規(guī)燃料電池潛艇俄基洛級(jí)常規(guī)燃料電池潛艇德阿穆爾燃料電池潛艇德阿穆爾燃料電池

35、潛艇41磷酸型燃料電池磷酸型燃料電池PAFC 磷酸型燃料電池磷酸型燃料電池(PAFC)是用天然氣重整氣為燃料，是用天然氣重整氣為燃料，空氣為氧化劑，以浸有濃空氣為氧化劑，以浸有濃H3PO4的的SiC微孔膜作電解微孔膜作電解質(zhì)，質(zhì)，Pt/C為電催化劑，產(chǎn)生的直流電經(jīng)過變換后供為電催化劑，產(chǎn)生的直流電經(jīng)過變換后供給用戶使用的電池。給用戶使用的電池。磷酸燃料電池磷酸燃料電池42 50-200kW的的PAFC可供現(xiàn)場(chǎng)可供現(xiàn)場(chǎng)使用使用，作為醫(yī)院、銀行的不，作為醫(yī)院、銀行的不間斷電源使用。間斷電源使用。 1000kW以上的以上的PAFC可供區(qū)可供區(qū)域性電站使用域性電站使用。 世界有大量世界有大量PAFC電

36、站，最電站，最長(zhǎng)已運(yùn)行數(shù)萬(wàn)小時(shí)，具有高長(zhǎng)已運(yùn)行數(shù)萬(wàn)小時(shí)，具有高度的可靠性。度的可靠性。 PAFC工作時(shí)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)工作時(shí)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，不適合作移動(dòng)電源。，不適合作移動(dòng)電源。磷酸型燃料電池用做不間斷電源磷酸型燃料電池用做不間斷電源磷酸型燃料電池電站磷酸型燃料電池電站43熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)(MCFC) 熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)以熔融碳酸鹽為電解以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，燃料是氫或天然氣，氧化劑為氧氣或空氣與質(zhì)，燃料是氫或天然氣，氧化劑為氧氣或空氣與二氧化碳的混合氣體二氧化碳的混合氣體，電極反應(yīng)為如下所示，電極反應(yīng)為如下所示， 陰極：陰極： 陽(yáng)極：陽(yáng)

37、極： 總反應(yīng)：總反應(yīng)： 2322CO2e4CO2Oe4OH2CO2CO2H222232 OH2H2O222 44 MCFC中中導(dǎo)電離子是導(dǎo)電離子是CO32-，在陰極在陰極CO2是反應(yīng)物，是反應(yīng)物，在陽(yáng)極在陽(yáng)極CO2是產(chǎn)物。是產(chǎn)物。為使電池穩(wěn)定連續(xù)工作，必須為使電池穩(wěn)定連續(xù)工作，必須將陽(yáng)極的將陽(yáng)極的CO2產(chǎn)物返回到陰極。產(chǎn)物返回到陰極。MCFCMCFC燃料電池工作原理燃料電池工作原理45 MCFC電池由陽(yáng)極、陰極、隔膜和雙極板組成電池由陽(yáng)極、陰極、隔膜和雙極板組成。 MCFC的工作溫度為的工作溫度為600-700，且維持一定壓力，且維持一定壓力，Ni陽(yáng)極工作一段時(shí)間后會(huì)變形，陽(yáng)極工作一段時(shí)間后會(huì)

38、變形，MCFC采用向采用向Ni中中加入加入Cr、A1等合金元素，利用第二相彌散強(qiáng)化形成等合金元素，利用第二相彌散強(qiáng)化形成高溫下不易變形的高溫下不易變形的NiCr、NiAl合金合金。 隔膜是隔膜是MCFC的核心部件的核心部件，要求強(qiáng)度高，耐，要求強(qiáng)度高，耐高溫熔高溫熔鹽腐蝕鹽腐蝕，浸入電解質(zhì)后具有良好的離子導(dǎo)電性。，浸入電解質(zhì)后具有良好的離子導(dǎo)電性。MCFC隔膜使用隔膜使用LiAlO2，它在高溫熔鹽中具有很強(qiáng)它在高溫熔鹽中具有很強(qiáng)的抗碳酸熔鹽腐蝕的能力。的抗碳酸熔鹽腐蝕的能力。46 MCFC電池工作溫度為電池工作溫度為650，余熱利用價(jià)值高，余熱利用價(jià)值高，電池不使用貴金屬催化劑，同時(shí)還具有發(fā)電

39、效率電池不使用貴金屬催化劑，同時(shí)還具有發(fā)電效率高、噪音低、污染小、余熱利用率高等優(yōu)點(diǎn)高、噪音低、污染小、余熱利用率高等優(yōu)點(diǎn)，適，適用于中、小型分散電站的建立，是充分利用能源用于中、小型分散電站的建立，是充分利用能源和減少環(huán)境污染的一種有效手段。和減少環(huán)境污染的一種有效手段。 國(guó)際上大多國(guó)際上大多MCFC電站已經(jīng)進(jìn)入安裝試運(yùn)行階段電站已經(jīng)進(jìn)入安裝試運(yùn)行階段，一些兆瓦級(jí)電站的運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過，一些兆瓦級(jí)電站的運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過2萬(wàn)小時(shí)。萬(wàn)小時(shí)。47固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池(SOFC)(SOFC) 固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池包括電解質(zhì)材料、電極材料包括電解質(zhì)材料、電極材料和連接材

40、料和連接材料。 O2在具有在具有催化活性催化活性的陰極上被還原成的陰極上被還原成O2-，O2-在電在電池兩側(cè)氧濃度差的驅(qū)動(dòng)下，通過電解質(zhì)中的氧空池兩側(cè)氧濃度差的驅(qū)動(dòng)下，通過電解質(zhì)中的氧空位定向遷移到陽(yáng)極上，與燃料進(jìn)行氧化反應(yīng)。位定向遷移到陽(yáng)極上，與燃料進(jìn)行氧化反應(yīng)。SOFC燃料電池工作原燃料電池工作原理理48 釔穩(wěn)定釔穩(wěn)定ZrO2陶瓷陶瓷(YSZ)是是SOFC中應(yīng)用最廣的電解質(zhì)中應(yīng)用最廣的電解質(zhì)材料。材料。 陰極采用具有較高離子導(dǎo)電率的鈣鐵礦氧化物陰極采用具有較高離子導(dǎo)電率的鈣鐵礦氧化物，Sr摻雜摻雜LaMnO3是目前最常用的陰極材料。是目前最常用的陰極材料。 陽(yáng)極材料采用金屬陽(yáng)極材料采用金屬

41、Ni，管式管式SOFC燃料電池燃料電池49 SOFC燃料來(lái)源廣泛，不需貴金屬催化劑，電池不含燃料來(lái)源廣泛，不需貴金屬催化劑，電池不含腐蝕性介質(zhì)，能量綜合利用率達(dá)到腐蝕性介質(zhì)，能量綜合利用率達(dá)到70以上以上。 SOFC電池被認(rèn)為是最有效率的萬(wàn)能電池，可用于發(fā)電池被認(rèn)為是最有效率的萬(wàn)能電池，可用于發(fā)電、交通、宇航等許多領(lǐng)域。電、交通、宇航等許多領(lǐng)域。德西門子公司和美西屋公司在德西門子公司和美西屋公司在加州大學(xué)建立的加州大學(xué)建立的SOFC電站電站德西門子公司和美西屋公司在德西門子公司和美西屋公司在荷蘭建立的荷蘭建立的SOFC電站電站50質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) PEMFC是

42、一種以是一種以全氟磺酸固全氟磺酸固體聚合物體聚合物為電解質(zhì)，以為電解質(zhì)，以Pt/C或或Pt-Ru/C為催化劑，以為催化劑，以氫或氫或凈化重整氣凈化重整氣為燃料，以為燃料，以空氣空氣或純氧或純氧為氧化劑，以為氧化劑，以帶有氣帶有氣體流動(dòng)通道的石墨或金屬板體流動(dòng)通道的石墨或金屬板為雙極板的新型燃料電池。為雙極板的新型燃料電池。 構(gòu)成構(gòu)成PEMFC電池的材料有電電池的材料有電催化劑、電極、質(zhì)子交換膜催化劑、電極、質(zhì)子交換膜、雙極板材料。、雙極板材料。PEMFCPEMFC電池工作原理電池工作原理51 電催化劑要求對(duì)特定電極反電催化劑要求對(duì)特定電極反應(yīng)有良好的催化活性，還要應(yīng)有良好的催化活性，還要求耐腐

43、蝕和良好導(dǎo)電性，求耐腐蝕和良好導(dǎo)電性，一一般選擇般選擇Ni、Pt及其合金及其合金。多孔多孔Ni的微觀形貌的微觀形貌 PEMFC為提高電流密度，減為提高電流密度，減少極化，需增加反應(yīng)面積。少極化，需增加反應(yīng)面積。可采用可采用多孔擴(kuò)散電極多孔擴(kuò)散電極，形成，形成傳導(dǎo)氣、水、電的三維反應(yīng)傳導(dǎo)氣、水、電的三維反應(yīng)界面，界面，比表面積比平板電極比表面積比平板電極提高提高3-5個(gè)數(shù)量級(jí)，個(gè)數(shù)量級(jí)，大幅提高大幅提高電極的極限電流密度。電極的極限電流密度。PEMFC電池的多孔擴(kuò)散電極構(gòu)成電池的多孔擴(kuò)散電極構(gòu)成52 PEMFC具有能量轉(zhuǎn)化率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在具有能量轉(zhuǎn)化率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在室溫下可快速啟

44、動(dòng)、無(wú)電解液流失、水易排出、壽室溫下可快速啟動(dòng)、無(wú)電解液流失、水易排出、壽命長(zhǎng)，命長(zhǎng)，特別適合作移動(dòng)電源使用特別適合作移動(dòng)電源使用。 在未來(lái)以氫為主要燃料的氫能時(shí)代，在未來(lái)以氫為主要燃料的氫能時(shí)代， PEMFC將得將得到更廣泛的應(yīng)用。到更廣泛的應(yīng)用。PEMFC電池在電瓶車上的應(yīng)用電池在電瓶車上的應(yīng)用挑戰(zhàn)杯北航的無(wú)人駕駛驗(yàn)證機(jī)中挑戰(zhàn)杯北航的無(wú)人駕駛驗(yàn)證機(jī)中應(yīng)用應(yīng)用PEMFC電池作為電源電池作為電源53 直接甲醇燃料電池是直接甲醇燃料電池是PEMFC中的一類，直接使用中的一類，直接使用水溶液以及蒸汽甲醇為燃料供給來(lái)源，水溶液以及蒸汽甲醇為燃料供給來(lái)源，不需通過重不需通過重組甲醇、汽油及天然氣等再取

45、出氫以供發(fā)電組甲醇、汽油及天然氣等再取出氫以供發(fā)電。 相較于相較于PEMFC，DMFC燃料成分危險(xiǎn)性低，電池燃料成分危險(xiǎn)性低，電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成為可攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用的主流。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成為可攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用的主流。直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)Sharp研制的高功研制的高功率率DMFC電池，應(yīng)電池，應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備用于移動(dòng)設(shè)備54 2012年，工信部將在年，工信部將在滬、晉、陜滬、晉、陜?nèi)亻_展甲醇汽車三地開展甲醇汽車試點(diǎn)，燃料將以試點(diǎn)，燃料將以高比例高比例M85(加入加入85%甲醇調(diào)配甲醇調(diào)配)和和M100(純甲醇燃料純甲醇燃料)兩大類型為主。兩大類型為主。甲醇采取煤基生產(chǎn)路線，甲醇

46、采取煤基生產(chǎn)路線，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，出租車使用，出租車使用M100燃料，油費(fèi)可從燃料，油費(fèi)可從0.8元元/公里降到公里降到0.55元元/公里；公里；甲醇是甲醇是清潔替代能源清潔替代能源，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，綜合排放致癌物僅為汽柴油的放，綜合排放致癌物僅為汽柴油的20%。 55太陽(yáng)能電池材料太陽(yáng)能電池材料56 太陽(yáng)能太陽(yáng)能在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位地球上一年接受的太陽(yáng)能總量為地球上一年接受的太陽(yáng)能總量為3.81018kW，遠(yuǎn)大于，遠(yuǎn)大于人類對(duì)能源的需求量；人類對(duì)能源的需求量；分布廣泛，不需要開采和運(yùn)輸；分布廣泛，不需

47、要開采和運(yùn)輸；不存在枯竭問題，可以長(zhǎng)期利用；不存在枯竭問題，可以長(zhǎng)期利用；安全衛(wèi)生，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等。安全衛(wèi)生，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等。人造衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池人造衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池57 通過通過光電轉(zhuǎn)化光電轉(zhuǎn)化將將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能加以利用是加以利用是太陽(yáng)能利用中最活躍的研究領(lǐng)域。太陽(yáng)能利用中最活躍的研究領(lǐng)域。清華大學(xué)電力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室清華大學(xué)電力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能電池開發(fā)綜合利用系統(tǒng)太陽(yáng)能電池開發(fā)綜合利用系統(tǒng)58 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化的核心裝置是太陽(yáng)電池太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化的核心裝置是太陽(yáng)電池。 太陽(yáng)電池的工作原理是太陽(yáng)電池的工作原理是光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)：太陽(yáng)光的光量子與：太陽(yáng)光的光量子與材

48、料相互作用產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在勢(shì)壘區(qū)靜電場(chǎng)作用材料相互作用產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在勢(shì)壘區(qū)靜電場(chǎng)作用下，空穴和電子越過勢(shì)壘，下，空穴和電子越過勢(shì)壘，電子進(jìn)入電子進(jìn)入n區(qū)，空穴進(jìn)入?yún)^(qū)，空穴進(jìn)入p區(qū)，區(qū)，被分離的電子和空穴由電極收集并輸出，形成光被分離的電子和空穴由電極收集并輸出，形成光生電流，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。生電流，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光伏效應(yīng)示意圖光伏效應(yīng)示意圖太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池59晶體硅太陽(yáng)能電池晶體硅太陽(yáng)能電池 晶體硅太陽(yáng)電池是以硅半導(dǎo)體材料制成的大面積晶體硅太陽(yáng)電池是以硅半導(dǎo)體材料制成的大面積pn結(jié)，在結(jié)，在p型硅片上制作很薄的摻雜型硅片上制作很薄的摻雜n型層，在型層，在n型層上型層上制作金屬柵線作為正

49、面接觸電極，在背面制作金屬制作金屬柵線作為正面接觸電極，在背面制作金屬膜作為背面接觸電極。膜作為背面接觸電極。 晶體硅太陽(yáng)電池具有晶體硅太陽(yáng)電池具有性能穩(wěn)定、資源豐富、無(wú)毒性性能穩(wěn)定、資源豐富、無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品。，是目前市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品。單晶硅太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅太陽(yáng)能電池60 提高晶體硅太陽(yáng)電池性能的方法提高晶體硅太陽(yáng)電池性能的方法：吸雜吸雜：在多晶硅表面沉積磷或鋁層，在表面產(chǎn)生大量缺陷：在多晶硅表面沉積磷或鋁層，在表面產(chǎn)生大量缺陷區(qū)；高溫下雜質(zhì)在缺陷區(qū)富集，去掉該層后就可消除部分區(qū)；高溫下雜質(zhì)在缺陷區(qū)富集，去掉該層后就可消除部分雜質(zhì)，特

50、別是重金屬雜質(zhì)，提高電池性能。雜質(zhì)，特別是重金屬雜質(zhì)，提高電池性能。鈍化：鈍化：采取采取在氫氣中退火、等離子體處理等方式，用氫鈍在氫氣中退火、等離子體處理等方式，用氫鈍化硅的懸鍵等缺陷，提高電池性能?；璧膽益I等缺陷，提高電池性能。在多晶硅表面制備多孔硅在多晶硅表面制備多孔硅：降低電池表面反射率，提高電：降低電池表面反射率，提高電池轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到池轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到13.4。61非晶硅太陽(yáng)電池非晶硅太陽(yáng)電池 非晶硅太陽(yáng)電池是以非晶硅為襯底的薄膜太陽(yáng)電池非晶硅太陽(yáng)電池是以非晶硅為襯底的薄膜太陽(yáng)電池，電池效率已達(dá)到，電池效率已達(dá)到13；世界總組件生產(chǎn)能力達(dá)到；世界總組件生產(chǎn)能力達(dá)到每年每年50MW，應(yīng)

51、用規(guī)模從手表、計(jì)算機(jī)等消費(fèi)品用，應(yīng)用規(guī)模從手表、計(jì)算機(jī)等消費(fèi)品用電源發(fā)展到兆瓦級(jí)的獨(dú)立電站。電源發(fā)展到兆瓦級(jí)的獨(dú)立電站。非晶硅太陽(yáng)能電池非晶硅太陽(yáng)能電池62 非晶硅帶隙為非晶硅帶隙為1.5-2.0eV，其，其光譜響應(yīng)峰值與太陽(yáng)光光譜響應(yīng)峰值與太陽(yáng)光譜峰值的匹配比晶體硅更好譜峰值的匹配比晶體硅更好，且開路電壓大；，且開路電壓大；非晶硅具有非晶硅具有長(zhǎng)程無(wú)序短程有序的共價(jià)無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程無(wú)序短程有序的共價(jià)無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這可有效吸收光子，這可有效吸收光子，在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收系數(shù)在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收系數(shù)比晶體硅高一個(gè)數(shù)量級(jí)比晶體硅高一個(gè)數(shù)量級(jí)； 無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的散射作用無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)

52、的散射作用，非晶硅中光子擴(kuò)散，非晶硅中光子擴(kuò)散長(zhǎng)度很短，光生載流子會(huì)很快復(fù)合而不能收集，長(zhǎng)度很短，光生載流子會(huì)很快復(fù)合而不能收集，為此為此需要在電池內(nèi)盡量布滿電場(chǎng)需要在電池內(nèi)盡量布滿電場(chǎng)。63化合物太陽(yáng)能電池化合物太陽(yáng)能電池 化合物太陽(yáng)電池所用材料包括化合物太陽(yáng)電池所用材料包括II-VI族化合物和族化合物和III-V族化合物族化合物。 II-VI族化合物包括族化合物包括CdTe、CdS和和CuInSe2等等，制成的薄膜太陽(yáng)，制成的薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率高、成本低、易于電池轉(zhuǎn)換效率高、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)。大規(guī)模生產(chǎn)。 III-V族化合物包括族化合物包括GaAs和和InP等等，可制成薄膜太陽(yáng)電池

53、，轉(zhuǎn)換效，可制成薄膜太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性能好，是較理想率高、抗輻照性能好，是較理想的空間太陽(yáng)電池。的空間太陽(yáng)電池。太空站上的太空站上的GaAs太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池高原用的高原用的GdTe太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池64 CdTe太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池是以是以CdTe為吸收層、為吸收層、CdS為窗口層的為窗口層的半導(dǎo)體電池，開路電壓半導(dǎo)體電池，開路電壓1.05V，理論轉(zhuǎn)換效率，理論轉(zhuǎn)換效率27；目前小面積目前小面積CdTe電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)16，大面積組，大面積組件已達(dá)件已達(dá)10.1。 GaAs是是III-V族化合物，帶隙為族化合物，帶隙為1.42eV，接近太陽(yáng)電，接近太陽(yáng)電池所需的最佳帶隙，

54、具有高的轉(zhuǎn)換效率，池所需的最佳帶隙，具有高的轉(zhuǎn)換效率，單結(jié)單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)太陽(yáng)電池的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)26.2；GaAs太陽(yáng)電太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率隨溫度變化下降不大，耐輻照性能好，池轉(zhuǎn)換效率隨溫度變化下降不大，耐輻照性能好，適合做空間太陽(yáng)電池適合做空間太陽(yáng)電池。65納米太陽(yáng)電池納米太陽(yáng)電池 納米太陽(yáng)電池納米太陽(yáng)電池(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱NPC電池電池)是一種由是一種由鍍有透明導(dǎo)電鍍有透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電玻璃、多孔納米膜的導(dǎo)電玻璃、多孔納米TiO2或或PbxLa1-xTiO3(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱PLT)膜、染料光敏化劑、固體電解質(zhì)膜以及鉑電極膜、染料光敏化劑、固體電解質(zhì)膜以及鉑電極組成的一種光電化學(xué)式電池

55、。組成的一種光電化學(xué)式電池。納米太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)納米太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)66 納米太陽(yáng)電池工作原理：納米太陽(yáng)電池工作原理：TiO2帶隙帶隙3.2eV，可見光不能將它激發(fā)，可見光不能將它激發(fā)，在在TiO2表面吸附表面吸附染料光敏化劑染料光敏化劑，通過染料分子與可見光相互作用，電子躍，通過染料分子與可見光相互作用，電子躍遷到遷到TiO2導(dǎo)帶并進(jìn)入電極，最后通過外電路產(chǎn)生光電流導(dǎo)帶并進(jìn)入電極，最后通過外電路產(chǎn)生光電流。TiO2膜通常制成海綿狀納米多孔膜，膜通常制成海綿狀納米多孔膜，以保證以保證TiO2膜具有較膜具有較大的比表面積，產(chǎn)生較高的光吸收效率。大的比表面積，產(chǎn)生較高的光吸收效率。染料光敏化劑一般選用

56、羧酸多吡啶釕、磷酸多吡啶釕、多染料光敏化劑一般選用羧酸多吡啶釕、磷酸多吡啶釕、多核聯(lián)吡啶釕等金屬有機(jī)染料，化學(xué)穩(wěn)定性高，激發(fā)態(tài)壽命核聯(lián)吡啶釕等金屬有機(jī)染料，化學(xué)穩(wěn)定性高，激發(fā)態(tài)壽命長(zhǎng)，發(fā)光性能好。長(zhǎng)，發(fā)光性能好。67核能材料核能材料68 核能被公認(rèn)是能大規(guī)模取代常規(guī)能源的替代能源核能被公認(rèn)是能大規(guī)模取代常規(guī)能源的替代能源。 經(jīng)過幾十年的利用和發(fā)展，世界上已有經(jīng)過幾十年的利用和發(fā)展，世界上已有441座核電機(jī)座核電機(jī)組在運(yùn)行，組在運(yùn)行，核電站裝機(jī)容量已達(dá)到核電站裝機(jī)容量已達(dá)到3.68億億kW。 世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)如下表所示，由此可知世界能源世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)如下表所示，由此可知世界能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)也正向

57、核能方向傾斜。的消費(fèi)結(jié)構(gòu)也正向核能方向傾斜。 世界能源消耗結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)世界能源消耗結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)年代年代石油石油天然氣天然氣煤煤核能核能水電水電其他其他197544.018.427.61.56.52.0200035.018.629.410.25.01.8203019.117.033.522.64.03.869裂變反應(yīng)堆材料裂變反應(yīng)堆材料 鈾鈾235或钚或钚239等重元素的原子核吸收一個(gè)中子后發(fā)生等重元素的原子核吸收一個(gè)中子后發(fā)生裂變，分裂成兩個(gè)質(zhì)量大致相同的新原子核，同時(shí)放裂變，分裂成兩個(gè)質(zhì)量大致相同的新原子核，同時(shí)放出出2-3個(gè)中子。這些新生中子又引起其它鈾個(gè)中子。這些新生中子又引起其它鈾235或钚或

58、钚239原子核裂變，產(chǎn)生原子核裂變，產(chǎn)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。核裂變示意圖核裂變示意圖70 裂變能十分巨大裂變能十分巨大：鈾：鈾235原子每次裂變放出約原子每次裂變放出約200keV的能量，一個(gè)碳原子燃燒時(shí)放出的能量為的能量，一個(gè)碳原子燃燒時(shí)放出的能量為4.1eV，鈾，鈾的裂變能是碳燃燒釋能的的裂變能是碳燃燒釋能的4.878萬(wàn)倍。萬(wàn)倍。 實(shí)現(xiàn)裂變反應(yīng)的裝置稱為裂變反應(yīng)堆。實(shí)現(xiàn)裂變反應(yīng)的裝置稱為裂變反應(yīng)堆。熱中子反應(yīng)堆熱中子反應(yīng)堆71 裂變堆的裂變堆的堆芯處于很強(qiáng)的核輻射中，具有各種嚴(yán)堆芯處于很強(qiáng)的核輻射中，具有各種嚴(yán)重的輻照效應(yīng)，對(duì)材料有特殊的性能要求。重的輻照效應(yīng)，對(duì)材料有特殊的性能要求

59、。堆芯堆芯材料主要有：材料主要有：燃料組件用材料：包括燃料元件芯體材料、燃料元件包燃料組件用材料：包括燃料元件芯體材料、燃料元件包殼材料、控制棒材料等；殼材料、控制棒材料等；慢化劑材料；慢化劑材料；冷卻劑材料；冷卻劑材料；控制材料：包括控制棒芯體控制材料：包括控制棒芯體( (中子吸收體中子吸收體) )材料、控制棒材料、控制棒包殼材料和液體控制材料；包殼材料和液體控制材料；反射層材料；反射層材料；屏蔽材料；屏蔽材料；反應(yīng)堆容器材料。反應(yīng)堆容器材料。72 核燃料是含有易裂變核素核燃料是含有易裂變核素(鈾鈾235、鈾、鈾233、钚、钚239中中任一種任一種)的金屬或陶瓷的金屬或陶瓷，作為燃料元件，作為燃料元件(棒棒)的芯體，的芯體，通常做成圓柱狀、板狀或粒狀。通常做成圓柱狀、板狀或粒狀。核燃料芯體核燃料芯體73 如果核燃料與冷卻劑直接接觸，裂變產(chǎn)生的強(qiáng)放射如果核燃料與冷卻劑直接接觸，裂變產(chǎn)生的強(qiáng)放射性產(chǎn)物會(huì)進(jìn)入冷卻劑，嚴(yán)重污染系統(tǒng)，性產(chǎn)物會(huì)進(jìn)入冷卻劑，嚴(yán)重污染系統(tǒng)，必須用包殼必須用包殼材料對(duì)燃料進(jìn)行包覆，材料對(duì)燃料進(jìn)行包覆，如鋯合金和鎂合金等如鋯合金和鎂合金等。 熱中子反應(yīng)堆內(nèi)的中子需要慢化，熱中子反應(yīng)堆內(nèi)的中子需要慢化，