第一章-新能源材料与器件导论绪论

新能源材料与器件导论彭忠东副教授中南大学冶金科学与工程学院Tel:13907313609Email:[e-mail]第一章绪论•一，课程背景•二，课程内容•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•新能源材料与器件专业是适应国家战略性新兴产业发展需要而设立•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与器件能源危机材料发展环境污染资源紧缺战略新兴产业：节能环保、新兴信息产业、生物产业、新能源、新能源汽车、高端装备制造业和新材料”一.课程背景新能源技术促进和谐发展推动低碳经济一课程背景——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。二.课程教学内容•本课程集中讲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与器件基本概念、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。•参考书目：•《新能源材料》陈军，化学工业出版社;2003•《电池手册》，托马斯B.雷迪(ThomasB.Reddy)(编者),汪继强(译),化学工业出版社，2013年7月1日《新能源技术》翟秀静编著•《先进电池材料》李景虹编著,化学工业出版社,北京,2004•《新能源材料技术》朱继平，化学工业出版社;第1版(2015年1月1日)•《能源电化学》陆天虹，化学工业出版社，2014年11月1日•《锂离子电池:科学与技术》，义夫正树化学工业出版社，2015年1月1日三、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。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。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能源分布图一再生能源非再生能源再生能源分布: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。能源分布图二太阳能其他能源我国石油产品需求预测2010年，万吨2020年，万吨汽、煤、柴油17750-1890021700-28800润滑油520-560560-770燃料油29002700化工用油4700-56007200-8700其它5400-55006600-6700石油产品合计31300-3350038800-47700国内石油需求3.3-3.5亿吨4.1-5.0亿吨其它：LPG、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等2004年我国汽柴油消耗分别达4706万吨和10292万吨(合计1.5亿吨)无穷大约45年约15约61年约30约230年约81约71年约50我国各种能源探明储量（以储采比表示）与世界比较摘自“光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑战”论文集2004年4月8日，北京P8050100150200250300太阳能石油天然气煤铀世界中国能源问题—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—环境污染二氧化碳是化石能源的最终排放形态化石能源及其现状表3全球各国CO2排放量比较排行2020年原油需求控制在4.5亿吨，至少进口2.5亿吨，对外依存度65%.汽车保有量应控制在1亿辆(现有2400万辆)2004年，产量500万辆，到2010年汽车年产量达到800到1000万辆在北京、上海等大城市，空气污染的60%来自汽车排放二氧化碳的全球排放量中，中国居第二2010550ppm从左图大气CO2浓度随年代的变化及其在全球的分布图可以看出：很明显，近20年来，CO2的浓度上升迅速非常迅速，2010年接近550ppm。而且，主要分布在美国和中国所在的北半球高纬度60-80度处。CO2大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！“温室效应”使地球变暖带来的严重后果A、根据IPCC的预测，2050年地球的平均气温将增加2.5±1℃B、专家认为：近100年来，全球年平均气温上升了0.6℃。预计到2100年，全球年平均气温将比1990年上升1.5－3.5℃C、美国皮尤全球气候变化研究中心发表的一份报告估计，到2100年全球气温将升高1.3-4.6摄氏度，并导致海平面升高17-99厘米。D、全球森林面积迅速下降，现有森林已无法吸收各国所排放的二氧化碳，已使大气层中二氧化碳含量迅速增加，整个气候状况已经进入恶性循环状态。E、气候变暖有可能导致极地冰帽迅速融化，进而使海平面上升，引发大规模洪水。在地球历史上发生于15万年前的冰川期则只是因为在2万年内地球气温升高5℃所造成的。F.温室效应还会造成极端降水（暴雨、暴雪）、飓风、山崩及泥石流等“非常事件”将频繁出现。专家们注意到，在过去几年里，衡量气候变化的“非常事件指数”（ExtrenmeEventlndex）不断攀高，由于气候变化而引起的自然灾害随时可能出现。G.温室效应造成厄尔尼诺现象频繁发生，气候异常、危害严重3.2绿色技术•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。•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。原料能够摆脱化石燃料的限制使用过程无排放污染绿色电池能源转换过程不受热力学卡诺循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。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。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。全球主要经济体的新能源发展和减排目标经济体新能源规划和碳减排目标欧盟未来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•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、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。•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。•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新能源的概念2.新能源分类常见绿色新能源太阳能风能生物质能核能化学能源到“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量中的比例达到3％以上。•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。•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。•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。•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。•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