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新能源材料上海理工大学材料学院2011.09新能源材料办公地点：材料楼302室Tel：55271689E-mail:zhtang@usst.edu.cn教材：新能源材料，天津大学出版社参考书与参考文献《新能源概论》——王革华编，化学工业出版社《新能源与可再生能源概论》——苏亚新编，化学工业出版社《新能源与可再生能源技术》——李传统编，东南大学出版社《新能源:后石油时代的必然选择》——钱伯章编，化学工业出版社新近的文献（部分自己查阅，部分分发给大家）教学任务和目标1.本课程是一门材料科学与工程专业学科门类教育层次的专业选修课。通过课堂讲授，学习互动，获得新能源材料方面的基本理论和基本知识。2.通过本课程教学，掌握能源在国民经济和社会发展中的地位和作用，了解能源结构与发展现状，拓宽对常用的新能源材料的认识，了解最新的各种新能源材料的研究现状。3.培养独立分析问题、解决问题能力。培养自学能力。教学计划1.教学时数：32学时2.成绩确定：章节论文大综合论文期末考试3.考试时间：第20周4.考试内容：课堂讲课内容为主第1篇储能材料第1章储氢材料第2篇新型二次电池材料第1章新型二次电池概述第2章金属氢化物镍电池材料第3章锂离子电池材料第3篇燃料电池材料第1章燃料电池现状与未来第2章质子交换膜型燃料电池材料第3章熔融碳酸盐燃料电池材料第4章固体氧化物燃料电池材料第4篇太阳电池材料第1章太阳电池材料概述第2章晶体硅太阳电池材料第3章非晶体硅太阳电池材料第4章II-VI族多晶薄膜太阳电池材料第5章III-V族化合物太阳电池材料第5篇核能材料本课程教学内容ChemistryLetters2005,34(1):8-13NobellaureateR.Smalley:能源枯竭环境污染两大挑战？新能源材料1.1能源危机全球化石燃料总量不断减少。石油，天然气，煤……1.2环境污染对人类未来的发展构成威胁。每年排放的二氧化碳呈上升趋势，全球气候变暖。空气中大量粉尘，酸雨，光化学烟雾……人类社会对能源的需求持续增长，能源需求结构也在发生变化，与此同时人类又面临着矿物能源环境污染和枯竭的难题，这一切都激励着新能源的出现和发展。太阳能、氢能、核能、生物能、风能、地热、海洋能等被认为是新能源，但它们必须依靠新材料的开发与应用才能得以实现，并进一步提高效率、降低成本。新能源材料就是用于新能源生产、转换和应用所需的材料。新能源与新材料新材料把原来已经使用的能源变成新能源。例如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能，有别于人们利用太阳的烘烤；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温（热能）。一些新材料可提高储能和能量转化效果。金属氢化物镍电池、锂离子电池等都是依靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。新材料决定了核反应堆等新能源的安全。材料工艺决定着新能源的成本。太阳能太阳照射到地面的能量相当于全球能耗的数万倍，既无污染，又是永久性能源。但太阳辐射到地球的能量密度太低，还受时间、气候的影响。太阳能的利用形式主要有两种:一是热能的直接利用，如利用镜面或反射槽将太阳光聚焦在收集器上，由中间介质吸热产生蒸汽，推动气轮机组发电，美国单台容量己达80MW；另一种形式是利用小型太阳能装置为房屋采暖供热，现己大量应用。太阳能电池研制高效、长寿、廉价的光伏转换材料已成为目前能源新材料领域的重要课题。当前非晶硅薄膜的最高转换效率为12.7％，理论上可达24％，缺点是稳定性较差；多晶硅为17.7％；单晶硅为28.7％，GaAs及GaInP可高达25％~30％。据报道，美研制出氮化镓铟高效太阳能电池可吸收50%以上能量。目前，太阳能电池组成本为４~5美元/千瓦，估计要降到0.4美元左右才能在电价方面与常规发电（6~11美分/千瓦）有竞争力。太阳能电池中，材料费可达60%~80%。因此，发展厚度仅1~2μm的非晶薄膜（相对于50μm的多晶硅膜）对节约材料和费用具有显著的意义。近年来正在研制便于大规模制造的燃料纳米半导体材料及有机光伏转换薄膜。尽管太阳能利用成本较高，在某些日照时间长、居民分散度大的地区建立太阳能电站还是有意义的，因此发达国家都在积极开发太阳能，如美国“百万屋顶计划”，德国“十万屋顶”计划及日本“1600个屋顶”太阳能电池系统等。我国西部地区日照好、居民分散，适合发展太阳能。1958年3月17日，美国首次在“先锋一号卫星”上用单晶硅太阳能电池提供电源。但功率小得可怜，只能供一个5毫瓦的无线电辅助发射机的用电。以后，全世界数以千计的卫星上几乎都装太阳能电池，功率也逐步增加，有的高达几十到上百千瓦。我国1990年9月3日发射的气象卫星上，也采用了半导体太阳能电池。20世纪70年代美国有一个异想天开的计划，就是在同步人造卫星上装两个16km2的电池板和聚光系统，将所获电能用微波传到地面。由于在大气层外阳光强度比地面高1.4倍，又不受气候影响，据估计，由此得到的电能成本可与常规电能相比。但是，除了材料和技术问题以外，是否造成环境污染还需要论证。近年来，国外还研制成了一种用炭黑来捕捉太阳能以驱动发电机发电的装置。它通过聚光器把太阳光集聚起来，照射在一个装有炭微粒悬浮体的加热室内。由于温度上升，使炭微粒气化。炭微粒吸收的热量可用来加热周围的空气，使其达到相当于喷气发动机的温度和压力。于是，被加热的空气可用来驱动汽轮机转动，并带动发电机发电。据计算，这种热电站每小时消耗炭黑约30公斤，可产生供l万人的城镇所需要的电力。7.3风能太阳能在地面上约2％转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW，很有发展前景。风能与风速密切相关，我国沿海与西北地区的风力资源丰富，大有作为，但风车材料是关键。－个2.5MW的风车，转子叶片直径要80ｍ，包括传动箱的总重达30t；风车高近百米，用材几百吨。风车叶片要有足够的强度和抗疲劳性能，目前主要采用玻璃钢或碳纤维增强塑料，正向增强木材发展。但风能发电装置造价较高。美国不同能源发电的成本7.4贮氢材料氢气成本低且效率高，在能源日益显现不足和燃油汽车造成人类生存环境极大污染的今天，以氢燃料作为汽车燃料的呼声不断高涨。世界四大汽车公司，美国的通用和福特，日本的丰田，德国的戴姆勒—奔驰，都在加快研制氢燃料汽车的步伐。汽车要使用氢燃料作为动力，其关键技术环节有两个，一是贮氢技术，二是燃料电池技术。传统的贮氢方法有两种，一种是采用压缩贮氢的方式，用高压钢瓶（氢气瓶）来贮存氢气；钢瓶贮存氢气的容积很小，即使加压到l50个大气压，瓶里所装氢气的质量还不到氢气瓶质量的1%，而且还有爆炸的危险。另一种是采用液氢贮氢的方式，将氢气降温到-253℃变为液体进行贮存；氢气液化的费用非常昂贵，它几乎相当于三分之一液氢的成本；而且，液氢的贮存容形异常庞大（占去汽车内的有限空间），需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化而避免浪费。以上诸多的原因，使得以氢气作为汽车动力燃料的应用一直都遇到很大的困难。储氢材料在发展上有一段有趣的历史。早在第二次世界大战期间，美国的飞行员经常随身携带一种象药丸但又不是药的东西，它一放进水里就会冒出大量气体。原来这是飞行员的“保命丸”——氢化锂。当飞行员在海上失事或被击落坠海时，只要把它放进特制的盛有水的装置内，就会立即溶解而释放出大量氢气。l公斤氢化锂可以释放出2800升的氢气，因此一个氢化锂丸释放出的氢气，足以使救生船、救生衣一类的救生器具充气膨胀，安全地漂浮在水面上。这种氢化锂丸其实就是贮氢材料，但它的储氢过程复杂，且只能一次性使用，氢释放后，锂本身很活泼，会立即吸收大量空气，无法第二次吸氢，因此后来很少应用。在1960年，荷兰菲利浦公司研制出吸氢能力最强的贮氢材料：镧镍系列吸氢合金，但成本很高，竞争不过汽油，这种合金仅仅作为一种战略储备。如德国的奔驰汽车公司制成了载有代替油箱的铁钛系吸氢合金的氢发动机，他们的打算是：一旦汽油紧张，就推出以氢为燃料的奔驰汽车。1974年，日本大阪守口市松下电器公司中央研究所发生一起怪事：一个氢气瓶前一天晚上还储有10个大气压的氢气，到第二天早上，压力却降低到不足1个大气压。经仔细检查，氢瓶并没有漏气。查来查去，原来问题出在制造气瓶的材料上。气瓶制造厂知道钛锰合金强度高，耐压保险，就用它装氢气。谁料它有很强的吸氢能力，把瓶内的大部分氢气吸进瓶壁里去了。真所谓“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫”。在70年代，由于中东地区对西方国家实行石油禁运，发生了空前的能源危机。于是，贮氢材料的研究成了热门课题。而日本作为能源最短缺的发达国家，对此尤其重视。这也成为日本是每年申请贮氢合金专利最多的国家的原因。现在，全世界已研究出的储氢合金，除钛锰合金外，还有镁镍合金、镁铜合金、铝锰合金、锆铬合金和各种含稀土的储氢合全。每年都有100种以上的储氢合金申请专利。这些储氢合金吸收的氢气可以为不同的机械或电器提供能源，例如为汽车、热泵、空调设备、无噪声的动力转换设备、燃料电池等。新型二次电池简介一次电池使用后，回收不及时或处理不当，常随普通垃圾一起被丢弃或被填埋，造成资源浪费，同时电池中的重金属元素的泄漏也污染了当地的水体和土壤。因此，开发二次新型电池是必要的。常用的二次电池的原理是通过充、放电过程实现的，即放电时通过化学反应可以产生电能，而施加反向电流时则可使体系回复到原来状态，即将电能以化学能形式重新储存起来的新型电池，它的充、放电反应是可逆的。新型的二次电池对环境的污染较小，可循环使用，性能优良，避免了一次电池的上述弊病。这些优势是导致二次电池迅速发展的主要原因推动力，相关背景还有：信息技术的发展，特别是移动通信及笔记本计算机等的迅速发展，迫切要求电池小型化、轻型化、长的服务时间、长的工作寿命和免维护技术。为了真正解决汽车尾气污染，发展零排放电动车辆的呼声愈来愈高，极大地推动着高比热能量、长寿命二次电池技术的发展。全世界天然能源正在不断消耗，终将枯竭，寻求新能源的呼声愈来愈高。航天领域和现代化武器对高性能二次电池的需求非常迫切，诸如：卫星上需求高功率、轻质量的储能电池；野战通信也要求高比热量、长寿命的小型二次电池等。新型二次电池材料及原理镍氢二次电池–工作原理Ni／MH二次电池20世纪60年代末，储氢合金的发现。储氢合金在吸放氢的过程中伴有电化学效应、热效应等。1974年开始储氢合金作为二次电池的负极材料的研究。1984年解决了合金冲放电过程中容量衰减迅速的问题。1987年试生产。镍氢二次电池1984年实现了利用储氢合金材料作为负极材料制造出首批Ni／MH电池。美国、日本等国竞相研究开发储氢合金材料和Ni／MH电池。我国也建成了数家年产数百吨储氢合金材料和千万只Ni／MH电池的大型企业。由于Ni／MH二次电池负极材料中要使用大量稀土元素，而我国的稀土资源十分丰富，其储量位于世界前列，为我国发展Ni／MH电池打下了良好的基础。电池的标称容量是指设计与制造电池时规定或保证电池在一定的放电条件下，应该放出最低限度的电量镍氢二次电池电极材料正极材料：Ni／MH电池的容量为正极所限制。影响球形Ni(OH)2正极材料性能的主要因素有化学组成、粒径大小、粒径分布、结构缺陷和表面活性等，须进一步提高正极的放电容量和循环稳定性。负极材料：用于Ni／MH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件：电化学储氢容量高，在较宽的温度范围内不发生太大的变化；在氢的阳极氧化电位范围内，储氢合金具有较强的抗阳极氧化能力；在热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定；反复充放电过程中合金不易粉化，制成的电极能保持形状的稳定；合金应有良好的电和热的传导性；原材料成本低廉。目前研究的储氢合金负极材料主要有AB5型稀土镍系储氢合金、AB2型Laves合金、AB型Ti-Ni系合金，A2B型镁基储氢合金以及V基固溶体等几种类型。上述5种类型的储氢合金中，AB5被最早应用于电极