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新能源材料简介
作者:尊龙用现金旧版    发布日期:2020-06-21 02:45


  新能源材料 New Energy Materials 张景璋 材料加工工程 1 主要分类 ? 太阳能电池材料 ? 储氢材料 ? 新型二次电池材料 ? 燃料电池材料 ? 核能材料 2 ? 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础 ,是现代 文明的三大支柱之一。 ? 目前,世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类 的矿物能源为主,不但严重破坏生态环境,而且矿 物能源不可再生,能源枯竭已成为共识。 煤炭开采 海上石油开采平台 严重的生态破坏 3 ? 生态环境严重破坏: ? 1952年12月,伦敦烟雾; ? 酸雨; ? 河流干涸; 4 5 ? 巨大的能源危机: ? 已开采800亿吨石油,按现在的开采速度, 地球上已探明 的1770亿吨石油储量仅够开采50年; ? 已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年; ? 已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400 年; ? 已探明的铀储量约490万吨,钍储量约275万吨,全球441座 核电站每年消耗6万多吨浓缩铀,仅够使用100年左右。 ? 世界各国水能开发也已近饱和,风能、太阳能尚无法满足 人类庞大的需求。 6 ? 我国作为发展中大国,能源消耗巨大,能源利用 率不高,能源结构也不合理。 ? 2009年,中国风力发电量达到了25.8亿瓦,超过了德国 的25.77亿瓦,仅次于美国35亿瓦; ? 2020年,中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力 涡轮机,成为世界最大的风能生产国。 ? 尽管在新能源领域有了大规模的增长,但风力发电量只 占据中国电力消耗总量的1% 。 7 ? 为缓解和解决能源危机,科学家提出资源与能源最 充分利用技术和环境最小负担技术。 ? 新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。 ? 新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源 系统,同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新 系统得以实现,并提高其利用效率,降低成本。 ? 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。 8 ? 新能源包括 ? 太阳能 ? 生物质能 ? 核能 ? 风能 太阳能 核能 风能 ? 地热 ? 海洋能 ? 氢能 潮汐能 地热 氢能 9 ? 新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及发展新 能源技术所需的关键材料,主要包括: ? 硅半导体为代表的太阳能电池材料 ? 储氢合金为代表的储氢材料 ? 锂离子电池为代表的二次电池材料 ? 质子交换膜电池为代表的燃料电池材料 ? 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料 ? ------------- 10 主要特点 ? 新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源; ? 新能源材料可提高贮能效率,有效进行能量转换; ? 新能源材料可以增加能源利用的新途径。 太阳能热水器 内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站 11 太阳能电池材料 12 ? 太阳能在未来能源结构中占有重要地位 ? 地球上一年接受的太阳能总量为 3.8×1018kW ,远大 于人类对能源的需求量; ? 分布广泛,不需要开采和运输; ? 不存在枯竭问题,可以长期利用; ? 安全卫生,对环境无污染等。 人造卫星上的太阳能电池 13 ? 西班牙塞维利亚太阳能发 电站—欧洲最大的太阳能 电站,可供18万户使用, 每年减排60万吨CO2 14 ?槽式太阳能 ?蝶式太阳能 ? 通过光电转化将太阳辐射能转化为电能加以利用是 太阳能利用中最活跃的研究领域。 清华大学电力国家重点实验室 太阳能电池开发综合利用系统 16 ? 太阳能光电转化的核心装置是太阳电池。 ? 太阳电池的工作原理是光伏效应:太阳光照在半导体 p-n结上,形成空穴-电子对,在p-n结内建电场的作 用下,光生空穴流向p区,光生电子流向n区,接通电 路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作 原理。 太阳能电池 光伏效应示意图 17 ?P型半导体 ?N型半导体 ? 全球最大规模的光伏太阳能发电 项目—鄂尔多斯市政府与美国 first solar公司共建2000兆瓦 太阳能光伏发电厂 19 ? 世博中国馆、主题馆,世博中心、演艺中心等永久 建筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过4.68 兆瓦的太阳能电池,每年能减排二氧化碳4000吨。 ? 主题馆屋面太阳能板面积达3万多平方米,是目前世 界最大的单体面积太阳能屋面,年发电量280万度, 每年减排二氧化碳2800吨,节约标准煤1000多吨。 世博中国馆 世博主题馆 20 ? 2011年5月,世界首架无污染太阳能飞机进行跨国 飞行(从瑞士飞抵布鲁塞尔需13小时),飞行高度可 达8700米,平均飞行速度为70-120公里/小时。 ? 用超轻碳纤维材料制成,总重1.6吨,由4台小型电 力发动机驱动,机翼配备1.2万个太阳能电池板, 翼展长度大约64米。 21 晶体硅太阳能电池 ? 晶体硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积 pn 结,在p型硅片上制作很薄的掺杂n型层,在n型层上 制作金属栅线作为正面接触电极,在背面制作金属 膜作为背面接触电极。 ? 晶体硅太阳电池具有性能稳定、资源丰富、无毒性 等优点,是目前市场上的主导产品。 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 22 非晶硅太阳电池 ? 非晶硅太阳电池是以非晶硅为基体的薄膜太阳电池 ,电池效率已达到13%;世界总组件生产能力达到 每年50MW,应用规模从手表、计算机等消费品用电 源发展到兆瓦级的独立电站。 非晶硅太阳能电池 23 化合物太阳能电池 ? 化合物太阳电池所用材料包括 II-VI 族化合物和 III-V 族化合物 。 ? II-VI 族化合物包括 CdTe 和 CdS 等 ,制成的薄膜太阳电池转换效率 高、成本低、易于大规模生产。 ? III-V 族化合物包括 GaAs 和 InP 等 ,可制成薄膜太阳电池,转换效 率高、抗辐照性能好,是较理想 的空间太阳电池。 高原用的GdTe太阳电池 太空站上的GaAs太阳电池 24 纳米太阳电池 ? 纳米太阳电池(简称NPC电池)是一种由镀有透明导电 膜的导电玻璃、多孔纳米TiO2、染料光敏化剂、固体 电解质膜以及铂电极组成的一种光电化学式电池。 纳米太阳电池的结构 25 ? 中国尚德电力和澳大利亚斯威本科技大学已研制出最高 效的宽波段纳米薄膜太阳电池,光电转化效率为8.1%。 ? 为捕获更多太阳光,将金 / 银纳米粒子嵌入薄膜中,增加 电池可吸收太阳光的波长范围,提高光子转化电子效率; ? 进一步使用有核的或表面凹凸不平的纳米粒子,大幅提高 薄膜的比表面积。10.1021/nl203463z Nano Lett 储氢材料 27 ? 氢能是人类未来的理想能源。 ? 氢能热值高,如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ,相当于3kg 汽油或4.5kg焦炭的发热量; ? 资源丰富,地球表面有丰富的水资源,水中含氢量达到 11.1%; ? 干净、清洁,燃烧后生成水,不产生二次污染; ? 应用范围广,适应性强,可作为燃料电池发电,也可用于 氢能汽车、化学热泵等。 ? 氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。 28 ? 氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。 ? 氢密度很小,单位重量体积很大。目前市售氢气一 般是在150个大气压下储存在钢瓶内,氢气重量不到 钢瓶重量的1/100,且有爆炸危险,很不方便。 ? 为解决氢的储存和运输问题,人们研发了相应的储 氢材料,主要包括活性炭、无机化合物、有机化合 物以及合金化合物四大类储氢材料。 常用高压氢气瓶 29 活性炭储氢 ? 活性炭比表面积可达2000m2/g 以上,低温加压可吸附储氢。 活性炭原料易得,吸附储氢和 放氢操作都比较简单。 ? 富勒烯 (C60) 和碳纳米管 (CNT) 对氢气具有较强的吸附作用。 单层碳纳米管的吸氢量比活性 炭高,H2的吸附量可达5%-10 %(质量分数),有望成为新一 代储氢材料。 富勒烯C60 碳纳迷管 30 合金化合物储氢 ? 在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放 氢气的合金被称为储氢合金。 ? 氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙, 形成金属氢化物,如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH 、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。 a b Hydrogen on Tetrahedral Sites Hydrogen on Octahedral Sites 氢原子在合金化合物中的占位:(a)四面体;(b)八面体 31 ? 储氢合金可储存比其体积大 1000-1300 倍的氢,而 且合金中存储的氢结合力较弱,当金属氢化物受热 时又可释放氢气。 Hydrogen storage capacity (wt%) 0 1 2 3 4 5 LaNi5H6 1.4wt% per weight TiFeH1.9 1.8wt% Mg2NiH4 3.6wt% Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压) 0 1 2 3 4 4.2wt% 5 Hydrogen storage capacity (wt%) 储氢合金的储氢量比较 32 ? 储氢合金材料达到实用目的,必须满足下列要求: ? 储氢量大,能量密度高; ? 吸氢和放氢速度快; ? 氢化物生成热小; ? 分解压适中: ? 容易活化; ? 化学稳定性好; ? 在储运中安全、无害; ? 原料来源广、成本价廉。 33 新型二次电池材料 34 ? 一次电池使用后常随普通垃圾一起被丢弃或掩埋, 造成资源浪费,同时电池中的重金属元素泄露也会 污染地下水和土壤。 ? 二次电池或蓄电池:放电时通过化学反应产生电能 ,充电时则使体系回复到原来状态,将电能以化学 能形式重新储存起来。 镍氢充电电池 Li离子充电电池 35 ? 传统二次电池如铅酸电池和镉镍电池理论比能量低 ,且铅和镉都是有毒金属,对环境污染极大。 ? 目前应用较广的是镍氢电池(表示为Ni/MH电池)和锂 离子电池(表示为LIB电池),不但性能优良,而且污 染较小,被称为绿色电池。 铅酸蓄电池 NiCd充电电池 36 Ni/MH镍氢二次电池 ? Ni/MH电池的正极材料采用Ni(OH)2,负极材料为储 氢合金,电解质为KOH水溶液。 ? 与Ni/Cd电池相比,Ni/MH电池具有以下优点: ? 能量密度是Ni/Cd电池的1.5-2倍; ? 充放电速率高; ? 耐过充和过放性能好; ? 使用寿命长; ? 低温性能好; ? 无Cd元素对环境的污染。 Ni/MH二次电池 37 ? Ni/MH电池开发重点是大功率、高容量方向。国际上 主要汽 车公司 如 GM 、 Ford 和 Toyota 等相 继开发 出 Ni/MH电动汽车和混合电动汽车, ? GM公司生产的Ni/MH电池动力车,单次充电后可行驶 225km,时速为150公里。 GM生产的EVI汽车,用26个12V的电 池,3小时充电后时速可达到150公里 38 LIB锂离子二次电池 ? Li是最轻的金属元素,它的标准电极电位是-3.045V, 是金属中负电位最大的元素,因此 Li 负极电池的开发 受到极大重视,与Ni/MH电池性能的比较如下。 普通Ni/MH,LIB及Ni/Cd电池性能比较 技术参数 工作电压/V 质量比能量/(Wh/kg) 体积比能量/(Wh/L) 冲放电寿命/次 Ni/Cd 1.2 30-50 150 500 Ni/MH 1.2 50-70 200 500 LIB 3.7 100-150 270 1000 39 ? LIB电池具有工作电压高、比能量高、容量大、循环 特性好、重量轻、体积小等优点,而且LIB无记忆效 应,不需将电放尽后再充电;LIB自放电小,每月在 10%以下,Ni/MH电池自放电一般为30%-40%。 ? 仅2000年,日本就销售了4亿多只Li电池。 移动电话Li电池 数码相机Li电池 笔记本Li电池 40 谢谢 42

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