新能源材料第1讲全解

1能源材料Energymaterials2•课程目的：较为全面地了解掌握能源材料的相关原理、性质、制备、表征、工艺设备及应用，掌握能源材料的基本试验研究方法与检测技术，开拓能源材料领域视野，了解相关的一些新动向。3•主要参考书目：•（1）雷永泉.新能源材料，天津大学出版社，2000•（2）陈军，袁华堂.新能源材料，化学工业出版社，2003•（3）中国材料研究学会.能源材料、智能材料和梯度材料新进展，冶金工业出版社，1998•（4）陈华辉等.现代复合材料，中国物资出版社，19984主要内容前言高性能超级电容器新型二次电池材料燃料电池太阳能电池材料核能材料5前言•0.1人类社会对能源的需求与面临的挑战•0.2新能源与新能源材料•0.3新能源材料的主要进展60.1人类社会对能源的需求与面临的挑战•能源需求的持续增长•能源结构的变化•矿物能源面临枯竭的前景•矿物燃料燃烧造成的环境污染7几个发达国家单位GDP能耗的变化曲线能源消耗8能源结构的变化：一方面反映人类能源技术的进步；另一方面反映出产业结构和社会生活的变化。能源结构9矿物能源枯竭的必然性已取得共识；面对21世纪，原油和天然气资源与需求的形式是比较严峻的。能源枯竭10环境污染110.2新能源与新能源材料•材料的作用•新能源材料的任务及面临的课题12材料的作用：•新材料把原来习用已久的能源变成新能源；•一些新材料可提高储能和能源转化效率；•新材料决定着核反应堆的性能和安全性；•材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本。13新能源材料的任务及面临的课题：•研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率；•资源的合理利用；•安全与环境保护；•材料规模生产的制作与加工工艺；•延长材料的使用寿命。140.3新能源材料的主要进展•金属氢化物镍电池（Ni/MH）正极材料（球形Ni(OH)2）的改善；AB5型混合稀土负极储氢合金的改进；新型高容量储氢电极合金的研究与开发；电池的再生利用问题。15•锂离子二次电池材料碳负极材料（由最初的锂负极发展为现在的碳负极材料）；纳米合金负极材料；正极材料（LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO2、复合材料等）；电解质材料（高性能、高安全）。16•燃料电池材料碱性氢氧电池（AFC）磷酸型燃料电池（PAFC）质子交换膜型燃料电池（PEMFC）材料熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）17•太阳能电池材料发展材料工艺，提高转换效率；发展薄膜电池，节约材料消耗；材料的大规模加工技术；与建筑相结合。18•核能材料包壳材料（使燃料与冷却剂分开）；核燃料（性能、形貌）；聚变堆的第一壁材料（要求最苛刻：辐射、真空、腐蚀等）；核废料的处理。19•超级电容器材料碳材料氧化物材料导电聚合物材料复合材料应用20•1.1新型二次电池及其在国民经济中的地位、作用及发展前景•1.2Ni/MH二次电池•1.3锂离子二次电池•1.4超级电容器第1章新型二次电池概述21•工作电压（额定电压）、工作电流（额定电流）•容量（Ah、F、J）、内阻（ESRAC、ESRDC）•工作温度•功率密度（重量功率密度、体积功率密度）•能量密度（重量能量密度、体积能量密度）•循环寿命、一致性•充放电曲线、放电平台、自放电二次电池若干定义、概念221.1新型二次电池及其在国民经济中的地位、作用及发展前景•1.1.1二次电池简介•1.1.2新型二次电池及其在国民经济中的地位、作用及发展前景23•1.1.1二次电池简介在电池中，有一类电池的充放电反应是可逆的。放电时通过化学反应可以产生电能，通以反向电流（充电）时则可使体系回复到原来的状态，即将电能以化学能的形式重新储存起来。这种电池称为二次电池或蓄电池。1.1新型二次电池及其在国民经济中的地位、作用及发展前景24251.1.2新型二次电池及其在国民经济中的地位、作用及发展前景新型二次电池技术的研究热点：①储氢材料及金属氢化物镍电池；②锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池；③聚合物电解质锂蓄电池或锂离子电池。26电池技术产业化发展的推动力：（1）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，迫切需要电池小型化、轻型化、长服务时间、长工作寿命和免维护。（2）环境保护呼声愈来愈高。（3）全世界天然能源正在不断消耗，终将耗竭，寻求新能源的呼声愈来愈高。（4）航空领域和现代化武器装备对高性能二次电池的需求迫切。2728我国发展新型二次电池产业的现实意义：①改变我国电池工业的现有产业格局，提升二次电池在市场中的主导地位；②加速我国电池无汞化和无镉化进程，改善目前电池生产和使用造成严重的环境污染；③逐步满足我国正在迅猛崛起的电子信息产业对绿色环保电池的需求；④随新型二次电池的开发，推动所需电池材料产业的迅速发展。29301.2.1Ni/MH二次电池的生产及其特点1.2.2Ni/MH电池的结构和工作原理1.2.3Ni/MH二次电池及正负极材料的发展现状1.2Ni/MH二次电池311.2.1Ni/MH二次电池的生产及其特点•20世纪60年代末，发现LaNi5和Mg2Ni等合金具有可逆吸放氢的性能；•1973年，开始研究LaNi5型储氢合金作为二次电池负极材料；•1984年，研究解决了LaNi5合金在充放电中容量衰减迅速的问题；•1987年，美国建成试生产线；•我国“863”计划研制出第一代“AA”型Ni/MH电池，并于1992年在广东中山市建立国家高新技术新型储能材料工程开发中心和Ni/MH中试生产基地。32•Ni/MH电池的显著优点：①能量密度高，同尺寸电池，容量是Ni/Cd电池的1.5～2倍；②无镉污染，所以Ni/MH电池又称为绿色电池；③可大电流快速充放电；④电池工作电压也为1.2V，与Ni/Cd电池有互换性。331.2.2Ni/MH电池的结构和工作原理•Ni/MH电池的工作原理由Ni(OH)2正极材料和储氢合金(M)负极材料组成的电池反应式：电池反应正极负极34•Ni/MH电池的工作原理示意：35•Ni/MH二次电池的结构和性能目前商品Ni/MH电池的形状有圆柱形、方形和扣式等形状，按电池的正极制造工艺分类，有烧结式和泡沫镍式（含纤维镍式）两大类型。圆柱形Ni/MH电池的结构示意图如下：36方形Ni/MH电池的结构示意图：37383940411.2.3Ni/MH二次电池及正负极材料的发展现状•Ni/MH电池研制和生产初期，厂家采用生产Ni/Cd电池用的烧结式正极；•目前生产Ni/MH电池所用的储氢负极材料有AB5型合金和AB2型合金两种；•日本、欧洲、亚洲及美国的大多数电池厂家都采用AB5型混合稀土系储氢合金作为Ni/MH电池的负极材料；•美国的Ovonic公司采用AB2型Ti－Zr－V－Ni－Cr系储氢合金材料研制大容量电动汽车电池。合金的典型组分为Ti16Zr16V22Ni39Cr7和Ti17Zr16V22Ni39Cr7等。421.3锂离子二次电池•1.3.1锂离子电池原理和特性•1.3.2锂离子电池的发展现状及前景展望431.3.1锂离子电池原理和特性•锂离子电池工作原理锂离子充放电反应式如下：44锂离子电池工作原理示意图：45•结构和性能按形状分类：圆柱形、方形和扣式（钱币形）；按正极材料分类：氧化钴锂型、氧化镍锂型和氧化锰锂、磷酸亚铁锂型等4647481.3.2锂离子电池的发展现状及前景展望目前，产量大、用途广的锂离子电池主要是圆柱形和方形氧化钴锂型电池49•美国已开发出LiNi1－xCoxO2作为正极的方形电池；•1997年，美国、日本的公司宣称它们的聚合物锂离子电池即将商品化；•自1990年，随移动通讯及笔记本计算机的迅猛发展，锂离子电池应用比例不断上升，从40％(1997年)上升到80％（1999年）；•我国从1966年开始研究锂离子电池，80年代推出商品化Li/MnO2、Li/SOCl2和Li/SO2电池，90年代研制出Li/V6O13二次电池。50几个值得关注的技术发展方向：•发展电动汽车用大容量锂离子电池；•开发及使用新的高性能电极材料；•加速聚合物锂离子电池的实用化进程。51