新能源材料

新能源材料福州大学材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScienceandEngineering,FZUNewEnergyMaterialsChapter1绪论一、能源分类能源可以分为一次能源和二次能源。一次能源是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。包括：核能、太阳能、水力、风力、原煤、原油、天然气、油页岩、生物质能、波浪能、潮汐能、地热和海洋温差能等等。二次能源是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。第1章绪论常见的一次能源一次能源可以进一步分为再生能源和非再生能源两大类。再生能源是指在自然界可以循环再生的能源。包括:太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等。非再生能源是不能再生的能源，用掉一点，便少一点。包括：煤、原油、天然气、油页岩、核能等.项目可再生能源不可再生能源一次能源常规能源商品能源水力（大型）核能地热生物质能（薪材秸秆、粪便等）太阳能（自然干燥等）化石燃料（煤、油、天然气）核能传统能源（非商品能源）水力（水车等）风力（风车、风帆等）畜力非常规能源新能源生物质能（燃料作物制沼气、酒精等）太阳能（收集器、光电池等）水力（小水电）风力（风力机等海洋能地热二次能源电力，煤炭，沼气，汽油、柴油、煤油、重油等油制品，蒸汽，热水，压缩空气，氢能等表1能源的分类Chapter1绪论二、新能源概念新能源是相对于常规能源而言，以采用新技术和新材料而获得，新技术基础上系统地开发利用的能源，如：太阳能、风能、海洋能、地热能等。新能源特点：生产规模较小，使用范围较窄。※常规能源与新能源的划分是相对的。如核能曾被认为是新能源，现在已被认为是常规能源；太阳能和风能被利用的历史比核能要早许多世纪，由于还需要通过系统研究和开发才能提高利用效率、扩大使用范围，所以现在把它们列入新能源。目前各国对这类能源的称谓有所不同，但是共同的认识是，除常规的化石能源和核能之外，其他能源都可称为新能源或可再生能源，主要为太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能、氢能和水能。Chapter1绪论三、新能源材料基础有学者将能源材料划分为：新能源技术材料、能量转换与储能材料和节能材料等。综合国内外的一些观点，我们认为：新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，是发展新能源技术的核心和其应用的基础。从材料学的本质和能源发展的观点看：能储存和有效利用现有传统能源的新型材料也可归为新能源材料。新能源材料包括：镍氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料、反应堆核能材料、发展生物质能所需的重点材料、新型相变储能和节能材料等。Chapter1绪论四、新能源材料应用现状1.锂离子电池及其关键材料锂离子电池及其关键材料的研究是新能源材料技术方面突破点最多的领域，在产业化工作方面也做得最好。当前国内锂离子电池关键材料已经基本配套，为我国锂离子电池产业的更大发展创造了有利条件。锂离子电池正极材料研究最多的是具有层状结构的LiCoO2、LiNiO2和尖晶石结构的LiMn2O4及它们的掺杂化合物。商用锂离子电池负极碳材料以中间相碳微球（MCMB）和石墨材料为代表。2.镍氢电池及其关键材料镍氢电池是近年来开发的一种新型电池，以KOH作电解液（电解质7mol/LKOH+15g/LNiOH）充电时：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH放电时：MH+NiOOH→M+Ni(OH)2式中M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金。镍氢电池核心是储氢合金材料，目前主要使用的是RE（LaNi5）系、Mg系和Ti系储氢材料。各发达国家大都将大型镍氢电池列入电动汽车的开发计划，镍氢动力电池正朝着方形密封、大容量、高比能的方向发展。镍氢电池的电量储备比镍镉电池多30%，无记忆效应，更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。3.燃料电池材料燃料电池是将储存于燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。阳极阴极电解质氢气氧气氢气氧气负荷-+燃料电池工作原理图1/2O2+2e-→O2-H2+O2-→2H2O+2e-安装在柏林的250kWPEMFC燃料电池电站燃料电池结构示意图采用湿化学法工艺，可在YSZ+NiO阳极基底上制备厚度仅为50μm的致密YSZ薄膜，800℃用氢作燃料时单电池的输出功率密度达到0.3W/cm2以上。（YSZ为氧化钇掺杂/稳定的氧化锆）燃料电池可以以不同形式应用于工业及生活的各个方面，如使用燃料电池作为电动汽车电源一直是人类汽车发展目标之一。在材料及部件方面，主要进行了电解质材料合成及薄膜化、电极材料合成与电极制备、密封材料及相关测试表征技术的研究。4、太阳能电池材料太阳能电池就是通过光电效应或者光化学效应，将太阳辐射能直接转换成电能的装置。砷化镓（GaAs）太阳能电池的转换效率目前已经达到20-28%，采用多层结构还可以进一步提高转换效率。太阳能在新能源领域的龙头地位，美国、德国、日本等国家都将太阳能光电技术放在新能源的首位。在世界太阳能电池市场上，目前仍以晶体硅电池为主。美国、日本、欧洲等国家的单晶硅电池的转换效率达到20%以上，多晶硅电池在实验室中转换效率也达到了17%，5、核能的关键材料世界上一切物质都是由原子构成的，原子又是由原子核和它周围的电子构成的。轻原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量，分别称为核聚变能和核裂变能，简称核能。大亚湾核电站秦山核电站美国核电约占总发电量20%，法国、日本分别占77%和29.7%；中国核电由原先的适度发展进入到加速发展的阶段，核发电量创历史最高水平，到2020年核电容量将占全部总装机容量的4%。核能的关键材料包括：先进核有能力材料、先进的核燃料、高性能燃料元件、新型核反应法堆材料、铀浓缩材料等。1986年4月26日切尔诺贝利核电站发生世界上最严重的核电站爆炸2011年3月12日受东日本大地震影响，日本福岛核电站发生爆炸。6、其他新能源材料我国风能资源较为丰富，但与世界先进国家相比，我国风能利用技术和发展差距较大，最主要的问题是尚不能制造大功率风电机组的复合材料叶片材料。电容器材料和转换材料一直是传统能源材料的研究范围，现在随着新材料技术的发展和新能源涵义的拓展，一些新的热电转换材料也可以当作新能源材料来研究。利用相变材料（PCM，PhaseChangeMaterials）的相变潜热来实现能量的储存和利用，提高能效和开发可再生能源，是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。节能储能材料的技术发展也使得相关的关键材料研究迅速发展，一些新型的利用传统能源和新能源储能材料也成为了人们关注的对象。具有产业化前景的超导电技术是国家新材料领域材料与技术专项的重点课题之一。Chapter2新型储能材料一、储能、储能技术与应用储能又称蓄能，是指使能量转化为在自然条件下比较稳定的存在形态的过程。储能技术：在能源的开发、转换、运输和利用过程中，能量的供应和需求之间，往往存在着数量上、形态上和时间上的差异。为了弥补这些差异、有效利用能源，常采取储存和释放能量的人为过程或技术手段，称为。第2章新型储能材料按照储存状态下能量的形态可分为机械、化学、电磁储能（或蓄电）、风能储存、水能储存等。和热有关的能量储存，不管是把传递的热量储存起来，还是以物体内部能量的方式储存能量，都称为蓄热。人为的储能，如机械钟表的发条，把机械功转化为势能储存起来。储能包括自然的和人为的：自然的储能，如植物通过光合作用，把太阳辐射能转化为化学能储存起来；储能技术有如下作用：1）防止能量品质的自动恶化；2）改善能源转换过程的性能；3）方便经济地使用能量；4）降低污染、保护环境。※储能系统本身并不节约能源，它的引入主要在于能够提高能源利用体系的效率，促进新能源的发展。表2能源类型、使用形式和储能的关系能源能源转换方式能源使用形式转换方式储能传统化石能核能可再生能源（如生物质能风能、太阳能和水能）直接产生电力热能冷能动能压缩气体储存和回收电池飞轮可逆燃料电池压缩空气热能扬水表3能量的形态类别及其储存和输送方法能量的形态储存法输送法机械能动能位能弹性能压力能飞轮扬水弹簧压缩空气高压管道热能显热潜热（熔化、蒸发）显热储热潜热热介质输送管道热管化学能电化学能化学能、物理化学能（溶液、稀释、混合、吸收等）化学热管、管道、罐车、汽车等电能电能磁能电磁波（微波）电容器超导线圈输电线微波输电辐射能太阳光、激光束光纤维原子能轴、钚等Chapter3锂离子电池材料第3章锂离子电池材料一、锂离子电池材料基础与应用1．发展历史1970S埃克森的M.S.Whittingham以硫化钛为正极，金属锂为负极，制成首个锂电池。1982年伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，快速且可逆。由于采用金属锂制成的锂电池的安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池，首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池，以锂离子在碳材料中的嵌入、脱嵌反应代替了金属锂的溶解、沉积反应，避免了电极表层上形成枝晶的问题（会产生枝晶短路），从而使锂离子电池的安全性和循环寿命远远高于锂蓄电池，实现了锂离子电池的商业化生产。2．优缺点1）高能量密度，是镍镉电池的三倍，是镍氢电池的两倍；2）电压平台高，约为3.6V，而镍基电池为1.2V；3）低维护性，没有记忆效应，无需定期放电；4）低自放电率；5）环保，无重金属。锂离子电池优点：1）安全性能问题，因为存在过充过放损害电池的因素，故需要复杂的保护线路；2）放电倍率低，约为1C-2C；3）易于老化，存储的锂离子电池会出现容量衰竭；4）价格昂贵。锂离子电池缺点：3．锂电池主要种类1）锂－二氧化锰电池(Li—MnO2)以锂为阳极（负极）、二氧化锰为阴极（正极），采用有机电解液的一次性电池。有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)电池电压高（额定电压为3V；终止放电电压为2V）比能量大(金属锂的理论克容量为3074mAh/g)；放电电压稳定可靠有较好的储存性能(储存时间3年以上)自放电率低(年自放电率≤10%)工作温度范围宽（－20℃～+60℃）主要特点：※一般在台式电脑的主板上，有一个扣式的锂电池，提供微弱的电流，可以正常使用3年左右，一些宾馆的门禁卡、仪器仪表等也使用锂--二氧化锰电池，近年来使用量逐年下降。该类电池是目前单位体积（质量）容量最高，放电电压特别平稳。一般用于不能经常维护的电子设备、仪器上，提供细微的电流，应用领域很窄。2）锂—亚硫酰氯电池(Li—SOCl4)以2种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池的正极和负极的二次电池体系。3）锂离子电池(Li--ion)充电时：锂离子从正极材料的晶格中脱出，经过电解质后插入到负极材料的晶格中，使得负极富锂，正极贫锂；放电时：锂离子从负极材料的晶格中脱出，经过电解质后插入到正极材料的晶格中，使得正极富锂，负极贫锂。工作原理：※※※※可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池。该电池以钴酸锂类型材料作为正极，不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)，并可能发生危险；但现在研发的磷酸铁锂正极材料锂电池，可以20C甚至更大的大电流进行充放电，特别适合电动车使用。（注：C是电池的容量，如C=800mAh，1C充电率即充电电流为800mA）4．锂离子电池的结构与组成部分1）圆柱型锂离子电池结构此结构一般为液态锂离子电池所采用，也是最古老的结构之一，偶尔在较早的手机上还能找到它的影子，目前大多数用在笔记本电脑的电池组里面。现今最普遍的液态锂离子电池形态广泛应用于移动电子设备电池组里,特别是手机电池.图右面的是sanyo生产的UP383450,即3.8mm*34mm*50mm,目前的标称容量已经达到650mAh.明年