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新能源新材料新能源与新能源材料的任务及主要进展新能源与新能源材料的任务及主要进展人类社会发展对能源的需求和面临的挑战新能源与新能源材料一些新能源材料的主要进展几个基本概念能源：产生机械能、热能、光能、电磁能、化学能等各种能量的自然资源。按形成，可分为一次能源和二次能源；按能否再生，可分为可再生能源和不可再生能源；按使用情况，可分为常规能源和新能源。能源是人类赖以生存和发展工业、农业、国防、科学技术以及改善人民生活所必需的燃料和动力来源。几个基本概念一次能源：亦称为“初级能源”、“天然能源”。自然界以天然形式存在的、未经加工或转换的能源。可分为源于太阳的能量，如太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能以及煤炭、石油、天然气、油页岩等化石燃料；地热能；核能；潮汐能。按在自然界能否循环再生，可分为可再生能源和不可再生能源。随着科学技术的发展，常对其加工或转换使之成为二次能源，以适应工艺或环境保护的需要，以及便于使用、输送和提高劳动生产率等。几个基本概念二次能源：也称“次级能源”、“人工能源”。由一次能源经加工转换而成的其他形式和种类的能源。包括焦碳、煤气、电力、蒸汽、氢能、酒精，以及汽油、煤油、柴油、重油等油制品。与一次能源相比，提高了品位，并具有输送、使用较方便、清洁等优点。二次能源的利用程度与一个国家的经济、科学技术、国防等因素有关。几个基本概念可再生能源：简称“再生能源”。自然界生态循环中能不断再生，并有规律地得到补充，不会枯竭的一次能源。包括太阳能、水能、风能、生物质能、海洋能和地热能等。不可再生能源：又称“非再生能源”。经人类开发利用后，在相当长的时期内不可能再生的自然能源。主要指各种矿物、化石燃料等需要经过漫长的地质年代才能形成的资源。对于不可再生能源的开发利用，不能任意破坏和浪费。一、人类社会发展对能源的需求和面临的挑战能源与人类社会的生存及可持续发展休戚相关。为了可持续发展，必须保护人类赖以生存的自然环境和自然资源，这是人类进入二十一世纪后所面临的严重挑战。于是，科学工作者提出了资源与能源最充分利用技术(MaximumEnergyandResourcesUtilization---MERU技术)和环境最小负荷技术(MinimumEnvironmentalImpact---MEI技术)。新能源与新能源材料是这两大技术的重要组成部分。发展新能源与新能源材料对我国尤其重要，是我国必须得到很好解决的重大课题。人类社会的发展伴随着能源消耗量的增加。表0-1列出了世界一次能源消费的增长趋势。1-1工业文明刺激能源需求持续增长1-1工业文明刺激能源需求持续增长从表中可以看出，世界能源消费的增长率虽然波动较大，但是总趋势是保持正增长。这儿有三个主要原因：一是世界经济的高速增长，二是能源技术发展的刺激，三是世界人口的增长。据联合国的有关统计资料，1990年全球人口为53亿，预计到2020年人口将增加到81亿，届时能源消费将增加一倍。另一方面，科技进步使单位GDP（国内生产总值）的能耗逐渐降低。这也是高技术产业得到重视的原因。图0-1给出了主要发达国家单位GDP能耗下降的情况。可以看出，在16年间单位GDP能耗降低了20~40%。我国的单位GDP能耗高出美国一倍以上。这表明我国技术落后、产业结构层次低。1-2能源结构的变化人类能源消费的另一个趋势是能源结构的变化。这种变化一方面反映出人类能源技术的进步，另一方面也反映出产业结构和社会生活的变化。表0-2给出了世界能源消费结构的变化。1-2能源结构的变化从表中可以看出，自70年代开始，原油已代替原煤在能源消费中占据首位，天然气的消耗比例也在增加。我国的能源结构仍以原煤为主。1996年的比例是：原煤75%，原油17.5%，天然气1.6%，水电5.9%。从能源的应用形态看，小型分立的可移动电源的需求增长很快，这主要是信息技术发展的结果。特别是近些年来笔记本计算机、手提电话等移动通信、摄象机、声像设备以及一些军用电子设备等的发展，对电池的能量密度要求更高，并要求能反复使用。因此，促进了高容量二次电池的发展。二次电池成为新能源发展的重要方向之一。1-3矿物质能源面临枯竭的前景矿物能源枯竭的必然性已取得共识，但何时出现枯竭，预测却不相同。表0—3列出1992年世界能源大会提供的调查资料。此表动态地预测了资源及需求的变化。对21世纪而言，原油和天然气资源与需求的形势是比较严峻的。1-4矿物燃料燃烧造成的环境污染矿物燃料燃烧时要放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、三四苯并芘、烟尘等。这些燃烧产物有的可破坏植被和土壤，如二氧化硫；有的对人的健康有害，如烟尘、三四苯并芘、二氧化硫等；有的对气候有影响，如二氧化碳、氮氧化物等。在燃烧产物中，大多数都可以靠燃料的前处理、烟气净化大幅度降低，但二氧化碳却不能用这些办法降低。改变矿物燃料的种类，可以适当改变CO2释放量。为获得同等的热量，以煤燃烧的CO2释放量为“1”，则使用石油和天然气时的CO2释放量分别降至0.82和0.59。1-4矿物燃料燃烧造成的环境污染在向大气释放的CO2中，80%以上来自能源的生产。随着能源消耗的增长，CO2释放量在增大，如图0—2所示。不同地区的人均CO2释放量的状况如图0—3所示。1-4矿物燃料燃烧造成的环境污染从图中可以看出：（1）CO2释放量呈愈来愈增大的趋势。据统计1990年已达59亿吨碳，如不采取有效措施，到2020年将达84亿吨碳。（2）发达国家的释放量占大部分。现在发达国家只占世界人口的18%，却占总排放量的60%以上，在过去积累的排放量中，发达国家占90%。（3）发展中国家的排放量增长速度从70年代开始加快，进入80年代以来增长速度已超过发达国家。1-4矿物燃料燃烧造成的环境污染上述排放量已使自然界CO2循环的平衡被打破。据联合国所属的IPCC(Inter-governmentalPanelonClimateChange，政府间气候变化委员会）的数据，现在大气中的CO2浓度已由1000年前的280×10-4%升至320×10-4%。多数专家认为，大气中CO2浓度的增加是地球气候变暖的重要原因，发展下去将对生态环境造成严重的破坏，危及人类的生存。1-4矿物燃料燃烧造成的环境污染经过多次国际会议的讨论与准备工作，1997年在京都召开的联合国气候变化框架会议第三次参加国会议的议定书上，规定签字国必须在2008年—2012年严格将温室气体的排放量降低到规定指标。这个任务非常艰巨，要从节能、提高能源效率、设法吸收大气中的CO2和扩大使用新能源来解决。二、新能源与新能源材料新能源的出现与发展，一方面是能源技术本身发展的结果，另一方面也是由于这些能源有可能解决上述的资源与环境问题而受到支持与推动。太阳能、生物质能、核能（新型反应堆）、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能等被认为是新能源，其中氢能、太阳能、核能是有希望在21世纪得到广泛应用的能源。新能源的发展一方面靠利用新的原理（如聚变核反应、光伏效应等）来发展新的能源系统，同时还必须靠新材料的开发与应用，才能使新的系统得以实现，并进一步地提高效率、降低成本。2．1材料的作用（1）新材料把原来习用已久的能源变成新能源。例如从古代起，人类就使用太阳能取暖、烘干等，现在利用半导体材料才把太阳能有效地直接转变为电能。再有，过去人类利用氢气燃烧来获得高温，现在靠燃料电池中的触媒、电解质，使氢与氧反应而直接产生电能，并有望在电动汽车中得到应用。2．1材料的作用（2）一些新材料可提高储能和能量转化效果。如储氢合金可以改善氢的存储条件，并使化学能转化为电能，金属氢化物镍电池、锂离子电池等都是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。2．1材料的作用（3）新材料决定着核反应堆的性能与安全性。新型反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐照材料。这些材料的组成与可靠性对反应堆的安全运行和环境污染起决定性作用。2．1材料的作用（4）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。例如，太阳电池所用的材料决定着光电转换效率，燃料电池及蓄电池的电极材料及电解质的质量决定着电池的性能与寿命，而这些材料的制备工艺与设备又决定着能源的成本。因此，这些因素是决定该种新能源能否得到大规模应用的关键。2．2新能源材料的任务及面临的课题为了发挥材料的作用，新能源材料面临着艰巨的任务。作为材料科学与工程的重要组成部分，新能源材料的主要研究内容同样也是材料的组成与结构、制备与加工工艺、材料的性质、材料的使用效能以及它们四者的关系。结合新能源材料的特点，新能源材料研究开发的重点有以下几方面。2．2新能源材料的任务及面临的课题1）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。例如，研究不同的电解质与催化剂以提高燃料电池的转换效率，研究不同的半导体材料及各种结构（包括异质结、量子阱）以提高太阳电池的效率、寿命与耐辐照性能等。2．2新能源材料的任务及面临的课题2）资源的合理利用新能源的大量应用必然涉及到新材料所需原料的资源问题。例如，太阳电池若能部分地取代常规发电，所需的半导体材料要在百万吨以上，对一些元素而言（如镓、铟等）是无法满足的。因此一方面尽量利用丰度高的元素，如硅等；另一方面实现薄膜化以减少材料的用量。又例如，燃料电池要使用铂作触媒，其取代或节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源发展到一定规模时，还必须考虑废料中有价元素的回收工艺与循环使用。2．2新能源材料的任务及面临的课题3）安全与环境保护这是新能源能否大规模应用的关键。例如，锂电池具有优良的性能，但由于锂二次电池在应用中出现过因短路造成的烧伤事件，以及金属锂因性质活泼而易于着火燃烧，因而影响了应用。为此，研究出用碳素体等作负极载体的锂离子电池，使上述问题得以避免，现已成为发展速度最快的二次电池。另外有些新能源材料在生产过程中也会产生三废而对环境造成污染；还有服务期满后的废弃物，如核能废弃物，会对环境造成污染。这些都是新能源材料科学与工程必须解决的问题。2．2新能源材料的任务及面临的课题4）材料规模生产的制作与加工工艺在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构的优化是研究的重点；而材料的制作和加工常使用现成的工艺与设备；到了工程化的阶段，材料的制作和加工工艺与设备就成为关键的因素。在许多情况下，需要开发针对新能源材料的专用工艺与设备以满足材料产业化的要求。这些情况包括：①大的处理量；②高的成品率；③高的劳动生产率；④材料及部件的质量参数的一致性、可靠性；⑤环保及劳动防护；⑤低成本。2．2新能源材料的任务及面临的课题例如：在金属氢化物镍电池生产中开发多孔态镍材的制作技术；开发锂离子电池的电极膜片制作技术等。在太阳电池方面，为了进一步降低成本，美国能源部拨专款建立称之为“光伏生产工艺”（PhotovoltaicManufacturingTechnology）的项目，力求通过完善大规模生产工艺与设备使太阳电池发电成本能与常规发电相比拟。2．2新能源材料的任务及面临的课题5）延长材料的使用寿命现代的发电技术、内燃机技术是众多科学家与工程师在几十年到上百年间的研究开发成果。用新能源及其装置对这些技术进行取代所遇到的最大问题是成本有无竞争性。从材料的角度考虑，要降低成本，一方面要靠从上述各研究开发要点方面进行努力；另一方面还要靠延长材料的使用寿命。这方面的潜力是很大的。这要从解决材料性能退化的原理着手，采取相应措施，包括选择材料的合理组成或结构、材料的表面改性等；并要选择合理的使用条件，如降低燃料中的有害杂质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一个明显的例子。三、一些新能源材料的主要进展新能源材料的种类繁多。因篇幅有限，本专题仅介绍几个有重大意义且发展前景看好的新能源材料，即新型二次电池材料、燃料电池材料、太阳电池材料及核能材料。新材料在这些新能源中的功能与取得的进展各不相同，下面我们将进行一些具体的讨论。3．1金属氢化物镍电池材料氢能是最清洁的二次能源，储氢材料的发现（1970