1、 一次电池可充电电池（二次电池） 燃料电池 储备电池（激活电池）能能源源材材料料 “化学能 电”转换材料 （各类化学电池）“光 电”转换材料“热 电”转换材料储能材料 “化学能化学能 电电”转换材料转换材料，也叫做也叫做“化学电源化学电源”或或“电池电池”是一种能量转换装置。放电时，是一种能量转换装置。放电时，化学能转变为电能，充电时化学能转变为电能，充电时, ,电电能转换为化学能储存起来，一次能转换为化学能储存起来，一次电池的反应不可逆的，二次电池电池的反应不可逆的，二次电池的反应是可逆的。的反应是可逆的。1 “化学能化学能 电电”转换材料转换材料（化学电源）（化学电源） 化学电源（电池）主
2、要是由化学电源（电池）主要是由电极电极（包括（包括电极粘结剂）、电极粘结剂）、电解质电解质、隔膜以及、隔膜以及外壳外壳（包括（包括电池封口剂电池封口剂）所组成。）所组成。 电极电极是电池的核心部分，它是由活性物质和导电骨架是电池的核心部分，它是由活性物质和导电骨架所组成。活性物质是指正、负极中参加成流反应的物质，所组成。活性物质是指正、负极中参加成流反应的物质，是决定化学电源基本特性的重要部分。是决定化学电源基本特性的重要部分。 电解质电解质在电池内部正、负极之间担负着传递电荷的作在电池内部正、负极之间担负着传递电荷的作用，要求比电导高，电压降要小。电解质有液体电解质和用，要求比电导高，电压降
3、要小。电解质有液体电解质和固体电解质之分。固体电解质之分。 1.1 化学电源的结构化学电源的结构 隔膜隔膜的作用是防止正、负极活性物质的直接接触，防止的作用是防止正、负极活性物质的直接接触，防止电池内部的短路。隔膜的形状薄膜、板材、棒材等。电池内部的短路。隔膜的形状薄膜、板材、棒材等。 外壳外壳是电池的容器，在化学电源（电池）中，除了锌锰干是电池的容器，在化学电源（电池）中，除了锌锰干电池是以锌电池（负极）兼作外壳以外，其它电池都有独立的电池是以锌电池（负极）兼作外壳以外，其它电池都有独立的外科，外壳要求机械强度高、耐针对、耐冲击、耐腐蚀、耐温外科，外壳要求机械强度高、耐针对、耐冲击、耐腐蚀、
4、耐温度的变化。度的变化。 电极电极是电池的核心。一般电极都是由三部分组成，一是参是电池的核心。一般电极都是由三部分组成，一是参加成流反应的活性物质；二是为改善性能而加入的导电剂；加成流反应的活性物质；二是为改善性能而加入的导电剂；三是少量的添加剂，如缓冲剂等。三是少量的添加剂，如缓冲剂等。1.1.1 电极类型及结构电极类型及结构 化学电源常用的化学电源常用的电极电极有有片状片状、粉末多孔状粉末多孔状和和气体扩散气体扩散电极电极等等几种。几种。 片状电极片状电极是由金属片或板直接制成，锌是由金属片或板直接制成，锌-锰干电池以锌片冲成圆锰干电池以锌片冲成圆筒作负极，锂电池的负极用锂片。筒作负极，锂
5、电池的负极用锂片。 粉末多孔电极粉末多孔电极的应用极广，因为电极呈现多孔状时，其直接表面的应用极广，因为电极呈现多孔状时，其直接表面积大，电化学极化和浓差极化小，不易钝化。电极反应在固积大，电化学极化和浓差极化小，不易钝化。电极反应在固液界面液界面上进行，充、放电过程中生成的枝晶少，可以防止电极间的短路。上进行，充、放电过程中生成的枝晶少，可以防止电极间的短路。 气体扩散电极气体扩散电极是粉末多孔电极在气体电极中的应用。电极的活性是粉末多孔电极在气体电极中的应用。电极的活性物质是气体。气体电极反应在电极微孔内表面形成的气物质是气体。气体电极反应在电极微孔内表面形成的气液液固三相固三相界面上进行
6、。目前工业上已经得到应用的气体扩散电极是氢电极和氧界面上进行。目前工业上已经得到应用的气体扩散电极是氢电极和氧电极。典型的电极结构有：双层多孔电极（培根型电极）、防水型电电极。典型的电极结构有：双层多孔电极（培根型电极）、防水型电极、隔膜型电极等。极、隔膜型电极等。1.1.1.2 电极粘结剂电极粘结剂 电极常用的粘结剂电极常用的粘结剂一般都是高分子化合物，如聚乙烯醇（一般都是高分子化合物，如聚乙烯醇（PVA），），聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE），羧甲基纤维素（），羧甲基纤维素（CMC）等。）等。1.1.1.2 化学电源用隔膜化学电源用隔膜 化学电源用的化学电源用的隔膜材料隔膜材料有天然或合
7、成的高分子材料，无机材料等。有天然或合成的高分子材料，无机材料等。根据原料特点和加工方法不同，可将隔膜分成有机材料隔膜，编织隔根据原料特点和加工方法不同，可将隔膜分成有机材料隔膜，编织隔膜，毡状膜，隔膜纸和陶瓷隔膜等。膜，毡状膜，隔膜纸和陶瓷隔膜等。1.1.1.3 封口剂封口剂 电池封口剂电池封口剂有环氧树脂，沥青，松香等。有环氧树脂，沥青，松香等。 1.1.5 电池组（电池堆）电池组（电池堆） 当需要电池输出高电压或大电流时，可以将若干个电池当需要电池输出高电压或大电流时，可以将若干个电池通过串联、并联、复联的方式组成通过串联、并联、复联的方式组成电池组（电池堆）电池组（电池堆）来使用。来使
8、用。 一次电池一次电池又称为又称为原电池原电池，如果原电池中电解不流动，则成为，如果原电池中电解不流动，则成为干干电池电池，由于电池反应本身不可逆，或可逆反应很难进行，所以一次，由于电池反应本身不可逆，或可逆反应很难进行，所以一次电池放电后不能充电再用。电池放电后不能充电再用。 二次电池二次电池，习惯上又称为可充电电池或习惯上又称为可充电电池或蓄电池蓄电池，它是充、放电它是充、放电过程能够反复多次循环使用的一类电池过程能够反复多次循环使用的一类电池。 燃料电池又称连续电池燃料电池又称连续电池，它是，它是将活性物质（燃料）连续注入将活性物质（燃料）连续注入电池电池，使其连续放电的一种电池。使其连
9、续放电的一种电池。 储备电池储备电池又称为又称为激活电池激活电池，这类电池的正负极活性物质在储存这类电池的正负极活性物质在储存期不直接接触期不直接接触，使用前临时注入电解液或用其它方法使电池激活。使用前临时注入电解液或用其它方法使电池激活。 1.2 化学电源的分类化学电源的分类 我们将学习几种有代表性的电池材料。我们将学习几种有代表性的电池材料。 关于一次电池涉及到关于一次电池涉及到锌锌-锰干电池锰干电池、碱性锌碱性锌-锰电池锰电池、锌锌-汞电汞电池池、镉镉-汞电池汞电池、锌锌-银电池银电池、碱性锌碱性锌-空气电池空气电池、锂电池、锂离子锂电池、锂离子电池电池、一些固体电解质电池（银一些固体电
10、解质电池（银-碘电池）碘电池）。 关于二次电池涉及到关于二次电池涉及到铅酸蓄电池铅酸蓄电池、镉镉 - 锰电池、氢锰电池、氢-镍电池镍电池、金属氢化物金属氢化物-镍电池（镍电池（MH-Ni电池）电池）、固体电解质电池（钠固体电解质电池（钠-硫电硫电池）池）、锂电池锂电池、锂离子电池锂离子电池、一些固体电解质电池。一些固体电解质电池。 关于燃料电池涉及到关于燃料电池涉及到碱性燃料电池（碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEMFC）
11、、直接甲醇（直接甲醇（DMFC）燃料电池燃料电池。 关于储备电池涉及到关于储备电池涉及到热激活电池、水激活电池。热激活电池、水激活电池。具体有具体有锌锌-银电池银电池、镁镁-银电池银电池、铅铅-高氯酸电池高氯酸电池等。等。 1.3 化学电源的应用化学电源的应用 化学电源具有能量转化效率高、方便、安全可靠等优点，化学电源具有能量转化效率高、方便、安全可靠等优点，所化学电源被广泛地用于工业、军事及日常生活之中。所化学电源被广泛地用于工业、军事及日常生活之中。 一次电池一次电池常用于低功率和中等功率的放电常用于低功率和中等功率的放电.这种电池外形多这种电池外形多为圆柱形、钮扣式、扁形，常以单体或电池
12、组的形式用于各种便为圆柱形、钮扣式、扁形，常以单体或电池组的形式用于各种便携式电器和电子设备。圆柱形电池广泛用于照明、信号、报警装携式电器和电子设备。圆柱形电池广泛用于照明、信号、报警装置、收音机、收录机、计算器、电动剃须刀、吸尘器等家庭生活置、收音机、收录机、计算器、电动剃须刀、吸尘器等家庭生活用品上；钮扣式电池用于手表、计算器、电子词典等物品；薄形用品上；钮扣式电池用于手表、计算器、电子词典等物品；薄形电池用作电池用作CMOS电路记忆储存电源等。此外，一次电池还广泛用电路记忆储存电源等。此外，一次电池还广泛用于军事便携通讯、雷达、气象和导航仪等。于军事便携通讯、雷达、气象和导航仪等。 二次
13、电池及其电池组二次电池及其电池组常用于较大功率放电，汽车启动、常用于较大功率放电，汽车启动、照明、点火、应急电源人造卫星、宇宙飞船。此外，二次电池照明、点火、应急电源人造卫星、宇宙飞船。此外，二次电池组在电动车辆动力方面也显示出了广阔的应用前景。组在电动车辆动力方面也显示出了广阔的应用前景。 燃料电池燃料电池适合于长时间连续工作的场合，可以用于电动车适合于长时间连续工作的场合，可以用于电动车辆的动力，也可以作为发电厂的发电装置，据介绍，美国的辆的动力，也可以作为发电厂的发电装置，据介绍，美国的NASA曾经成功地将燃料电池应用于阿波罗飞船的登月飞行和曾经成功地将燃料电池应用于阿波罗飞船的登月飞行
14、和载人航天器中。载人航天器中。 储备电池储备电池可用作导弹的电源、心脏起搏器的电源等。可用作导弹的电源、心脏起搏器的电源等。1.4 各类电池的简介各类电池的简介1.4.1 一次电池一次电池 在化学电源中，一次电池的历史最为悠久，产量最大，应用最为广泛。这种电池不能用简单的方法再生，不能充电，用后要废弃。 典型的一次电池有锌-锰电池包括传统的勒克郎谢电池、纸板电池、碱性锌-锰电池、无汞锌-锰电池，锌-氧化汞电池、锌-空气电池。1.4.2 二次电池二次电池 二次电池二次电池以以铅酸蓄电池铅酸蓄电池 、镉镉-镍电池、氢镍电池、氢-镍电池镍电池 为为其典型代表，此外其典型代表，此外固体电解质电池、锂电
15、池、锂离子电池固体电解质电池、锂电池、锂离子电池是非常有前途的三类是非常有前途的三类二次电池，尤其是二次电池，尤其是锂电池、锂离子电锂电池、锂离子电池池既可以作为一次电池，也可以作为既可以作为一次电池，也可以作为二次电池，最有发展二次电池，最有发展前途。前途。1.4.3 激活电池激活电池 又称又称“贮备电池贮备电池”，电池正负极活性物质和电解质在，电池正负极活性物质和电解质在贮存期间不直接接触。激活电池在使用前处于惰性状态，贮存期间不直接接触。激活电池在使用前处于惰性状态，使用时借助动力源作用于电解质，使电池激活，激活方式使用时借助动力源作用于电解质，使电池激活，激活方式有气体激活，液体激活和
16、热激活，一般来说，激活电池能有气体激活，液体激活和热激活，一般来说，激活电池能够贮存几年甚至十几年。够贮存几年甚至十几年。 1.4.4 燃料电池燃料电池 在上一次课中，我们讲了能源材料之一在上一次课中，我们讲了能源材料之一 原电池的情况，原电池的情况，今天我们介绍燃料电池、光今天我们介绍燃料电池、光电转换、热电转换、热电转换材料的情况。电转换材料的情况。 原电池和燃料电池都属于电池，但是实际上它们具有很大的原电池和燃料电池都属于电池，但是实际上它们具有很大的区别：原电池是能量储存装置，而燃料电池则是能量转换装置，区别：原电池是能量储存装置，而燃料电池则是能量转换装置，它需要不断地通入燃料（在阳
17、极，即负极）和氧化剂（在阴极，它需要不断地通入燃料（在阳极，即负极）和氧化剂（在阴极，即正极），将氧化反应的化学能直接转换为电能，燃料电池所用即正极），将氧化反应的化学能直接转换为电能，燃料电池所用的氧化剂一般为氧气或空气。的氧化剂一般为氧气或空气。 我们知道，原电池所能够发出的最大电能是参入电化学反应的我们知道，原电池所能够发出的最大电能是参入电化学反应的化学反应的化学物质完全反应时所产生的电能，当全部的反应物质化学反应的化学物质完全反应时所产生的电能，当全部的反应物质消耗完毕以后，原电池就不再发电了。消耗完毕以后，原电池就不再发电了。 但是对于燃料电池来讲，如果不考虑元件的老化和故障等因素
18、但是对于燃料电池来讲，如果不考虑元件的老化和故障等因素（燃料电池有一定的寿命），只要不断地向燃料电池提供燃料和氧（燃料电池有一定的寿命），只要不断地向燃料电池提供燃料和氧化剂，燃料电池就能够连续不断地发出电力。化剂，燃料电池就能够连续不断地发出电力。 燃料电池的种类很多，关于燃料电池的分类也有很多种：燃料电池的种类很多，关于燃料电池的分类也有很多种： 其基本分类有两种：直接燃料电池和非直接燃料电池。其基本分类有两种：直接燃料电池和非直接燃料电池。 直接燃料电池是直接利用通入的燃料来发电。直接燃料电池也有直直接燃料电池是直接利用通入的燃料来发电。直接燃料电池也有直接型（一次电池，反应产物被排放掉
19、）和再生型（二次电池，利用热再接型（一次电池，反应产物被排放掉）和再生型（二次电池，利用热再生、充电再生、光化学再生、放射化学再生的方法将反应产物再生为反生、充电再生、光化学再生、放射化学再生的方法将反应产物再生为反应物）。应物）。 非直接燃料电池是指所通入的燃料并不被燃料电池直接使用，需要非直接燃料电池是指所通入的燃料并不被燃料电池直接使用，需要进一步加工处理，其产物才能够被燃料电池所使用。它也有两种类型；进一步加工处理，其产物才能够被燃料电池所使用。它也有两种类型；一种是一种是“重整型重整型”燃料电池，是指对有机燃料加工使其转变为氢气，而燃料电池，是指对有机燃料加工使其转变为氢气，而后被燃
20、料电池直接使用；另一种是后被燃料电池直接使用；另一种是“生化型生化型”燃料电池，生化物质在一燃料电池，生化物质在一些酶的作用下转换为氢气，而后被燃料电池直接使用。些酶的作用下转换为氢气，而后被燃料电池直接使用。 燃料电池按照工作温度的高低可以分为低温燃料电池燃料电池按照工作温度的高低可以分为低温燃料电池 包括氢包括氢 - - 氧、有机物氧、有机物 - - 氧、氮化物（氨、肼等）氧、氮化物（氨、肼等）- - 氧、氧、金属金属 - - 氧、氢氧、氢 - -卤素、金属卤素、金属 - - 卤素等型式的燃料电池卤素等型式的燃料电池 、中温燃料电池（包括氢中温燃料电池（包括氢 - - 氧、有机物氧、有机物
21、 - - 氧、氨氧、氨 - - 氧）、氧）、高温燃料电池（包括氢高温燃料电池（包括氢 - - 氧、氧、CO - CO - 氧）、超高温燃料电池。氧）、超高温燃料电池。它们所对应的工作温度范围分别为它们所对应的工作温度范围分别为25 100；100 500；500 1000和和1000以上。以上。 按照电解质的不同，燃料电池又可以分为五大类：碱性燃料电池按照电解质的不同，燃料电池又可以分为五大类：碱性燃料电池（简称（简称AFC，Alkaline Fuel Cell）、磷酸燃料电池（简称）、磷酸燃料电池（简称PAFC，Phosphorous Acid Fuel Cell）、熔融碳酸盐燃料电池（简称
22、）、熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFC，Molten Carbonate Fuel Cell）、固体氧化物燃料电池（简）、固体氧化物燃料电池（简称称SOFC，Solid Oxide Fuel Cell）、质子交换膜燃料电池（简称）、质子交换膜燃料电池（简称PEMFC，Proton Exchange membrane Fuel Cell）。另外，关于）。另外，关于直接甲醇燃料电池（简称直接甲醇燃料电池（简称DMFC，Direct Methanol Fuel Cell）由于）由于它所使用的电解质是质子交换膜，所以人们一般将它归类为质子交换它所使用的电解质是质子交换膜，所以人们一般将它归类为质子交换膜
23、燃料电池。下表是这五大类燃料电池的主要特性与用途。膜燃料电池。下表是这五大类燃料电池的主要特性与用途。 电池类型电池类型_简称简称 AFC PAFC MCFC SOFC PEMFC 电解质电解质 KOH 磷酸磷酸 Li2CO3-K2CO3 YSZ PEM电解质形态电解质形态 液体液体 液体液体 液体液体 固体固体 固体固体阳极阳极 Pt/Ni Pt/C Ni/Al，Ni/Cr Ni/YSZ Pt/C阴极阴极 Pt/Ag Pt/C Li/NiO Sr/LaMnO3 Pt/C 工作温度，工作温度， 50 200 60 80 150 220 650 900 1050 应用应用 航空、航天，航空、航天
24、， 共发电，机动车，共发电，机动车， 共发电共发电 共发电共发电 共发电，机动车共发电，机动车领域领域 机动车机动车 轻便电源轻便电源 便携式电源便携式电源 注：注： YSZ是氧化钇稳定的氧化锆；是氧化钇稳定的氧化锆； PEM是质子交换膜的简称，目前常用的有美国杜邦（是质子交换膜的简称，目前常用的有美国杜邦（Du Pont）公司的）公司的Nafion膜和道尔（膜和道尔（Dow）公司的）公司的Dow膜。膜。 单个燃料电池的工作电压大约单个燃料电池的工作电压大约0.7V，为了获得实际需要的电压，为了获得实际需要的电压，需将几个、几十个甚至几百个燃料电池连接起来，组成所谓的电池堆。需将几个、几十个甚
25、至几百个燃料电池连接起来，组成所谓的电池堆。在电池堆中，两个相邻的燃料电池通过一个双极板。双极板的一侧与在电池堆中，两个相邻的燃料电池通过一个双极板。双极板的一侧与前一个燃料电池的阳极相连，另一侧与后一个燃料电池的阴极相连。前一个燃料电池的阳极相连，另一侧与后一个燃料电池的阴极相连。 燃料电池的优点是：燃料电池的优点是： 具有高效率、高可靠性、良好的环境效益、良好的操作性具有高效率、高可靠性、良好的环境效益、良好的操作性能、发电计划和容量调节的灵活性。能、发电计划和容量调节的灵活性。燃料电池还存在的问题和制约发展的因素：燃料电池还存在的问题和制约发展的因素： 市场价格昂贵；市场价格昂贵； 高温
26、时寿命以及稳定性不够理想；高温时寿命以及稳定性不够理想； 燃料电池技术不够普及；燃料电池技术不够普及； 没有完善的燃料供应体系。没有完善的燃料供应体系。2 太阳能电池太阳能电池 （光（光-电转换材料电转换材料） 太阳能电池是利用太阳光与材料相互作用直接产生电能的。太阳电池发电是基于光伏效应光伏效应（或称作“光生伏打效应”或“光电效应”，Photovoltaic Effect）。具体来说，就由太阳光的光量子与材料相互作用能够产生光生载流子。当将所产生的电子 空位对依靠半导体内形成的势垒分开而到达两极时，两极之间就会产生电势差，这就是光伏效应。 太阳能电池材料：太阳能电池材料： 目前，用来产生光伏
27、效应的材料只目前，用来产生光伏效应的材料只有半导体材料。制作太阳电池的半导体有半导体材料。制作太阳电池的半导体材料有元素半导体、化合物半导体和各材料有元素半导体、化合物半导体和各种固溶体。种固溶体。 实际上，在半导体中可利用各种势垒（如实际上，在半导体中可利用各种势垒（如pnpn结等）来形成光伏效结等）来形成光伏效应。应。P P型半导体为空位导电，型半导体为空位导电，n n型半导体为电子导电。型半导体为电子导电。 无光照时，在扩散作用下，无光照时，在扩散作用下，n n区的过剩自由电子向区的过剩自由电子向p p区扩散，使其带区扩散，使其带负电，负电，p p区的过剩空位向区的过剩空位向n n区扩散
28、，使其带正电，区扩散，使其带正电，pnpn结两边形成电位结两边形成电位差，即内建电场差，即内建电场 势垒电场，内建电场阻止载流子通过势垒电场，内建电场阻止载流子通过pn结进一结进一步扩散，从而造成平衡状态。步扩散，从而造成平衡状态。 在光照下，大于一定能量的光子，在在光照下，大于一定能量的光子，在p p区和区和n n区会激发产生光生载区会激发产生光生载流子，即电子和空位对。它们扩散到流子，即电子和空位对。它们扩散到pnpn结附近时受到内建电场作用，结附近时受到内建电场作用，电子驱向电子驱向n n区，空穴驱向区，空穴驱向p p区，使得区，使得n n区有过剩的电子，区有过剩的电子，p p区有过剩的
29、区有过剩的空位。这样，空位。这样，pnpn结附近又形成一个与内建电场方向相反的电场结附近又形成一个与内建电场方向相反的电场 光光生电场，即生电场，即p p区和区和n n区之间产生光生伏特电动势，从而形成光伏效应。区之间产生光生伏特电动势，从而形成光伏效应。 目前最有希望大量应用的是硅太阳电池，单晶硅太阳电池的光电转换效率高，但材料价格较贵。多晶硅太阳电池效应达到13%，半导体GaAs的转换效率可达20% 28%，太阳电池的转换效应与结构有关。 除此以外，还有一些固溶体，主要有GaAlAs、GaInP、InGaAs、CuInGaSe2、SiGe、SiC等，这些固溶体的物理性能随固溶体的组成比例而
30、变化。因此可以利用这一特点调整参数，以满足太阳能电池的要求。3 热热 - 电转换材料电转换材料 1882年，德国物理学家塞贝克发现了第一个温差电现象(thermoelectric phenomena),后被称为塞贝克效应。后来，科学家又发现了珀耳帖效应和汤姆孙效应。这三种温差电效应是相互关联的。 从从1919世纪以后，利用塞贝克效应的温差电偶世纪以后，利用塞贝克效应的温差电偶( (也称为热电也称为热电偶偶)( thermoelectric couple)( thermoelectric couple)已被广泛用于温度的测试和温度传已被广泛用于温度的测试和温度传感器。另外，利用塞贝克效应还可以制
31、作温差发电机，利用珀耳感器。另外，利用塞贝克效应还可以制作温差发电机，利用珀耳帖效应可以制作温差电制冷器帖效应可以制作温差电制冷器(thermoelectric cooling device)(thermoelectric cooling device)。 当然，采用金属材料制作的温差发电机和温差电制冷器的性当然，采用金属材料制作的温差发电机和温差电制冷器的性能很差，难于实际应用。后来，到了能很差，难于实际应用。后来，到了2020世纪世纪5050年代，随着半导体年代，随着半导体材料科学的发展，半导体温差制冷器的性能得到显著改善，并被材料科学的发展，半导体温差制冷器的性能得到显著改善，并被广泛应
32、用。因为有实用意义的温差电制冷，都是用半导体材料制广泛应用。因为有实用意义的温差电制冷，都是用半导体材料制作的，所以习惯上把温差电制冷器称为半导体制冷器。作的，所以习惯上把温差电制冷器称为半导体制冷器。 （1）塞贝克效应（Seebeck effect）是指把两种不同的金属a、b连接成闭合回路，当其两个接点的温度不同时，在回路中就有电流流过，产生这温差电流的电动势就称为温差电动势。当两接点的温度差T很小时，温差电动势V正比于T，比例常数就称为塞贝克系数（Seebeck coefficient）或温差电动势率（thermoelectric power）ab 3.1 热电三效应热电三效应 （2）珀耳
33、帖效应（珀耳帖效应（Peltier effect）是在塞贝克效应发现后）是在塞贝克效应发现后13年，年，法国钟表技师珀耳帖发现了第二个温法国钟表技师珀耳帖发现了第二个温差电效应。即，当电流流过由两种不差电效应。即，当电流流过由两种不同材料（导体或半导体）组成的热电同材料（导体或半导体）组成的热电偶时，其一接点将释放热量，而另一偶时，其一接点将释放热量，而另一接点将吸收热量，后来人们称此为珀接点将吸收热量，后来人们称此为珀耳帖效应耳帖效应。 （3）汤姆孙效应（Thomson effect）是汤姆孙（又名开尔文）用热力学理论推导塞贝克效应与珀耳帖效应之间的联系时，发现的第三种温差电效应，被称为汤姆
34、孙效应。具体表述为：当电流流过有温度差T的均匀导体时，除了会产生不可逆的焦耳热以外，还有可逆的汤姆孙热Q被放出或被吸收。 这三种温差电效应之间是相互联这三种温差电效应之间是相互联系的，由热力学定律可以导出它们系的，由热力学定律可以导出它们之间的关系。之间的关系。 实际上，珀耳帖效应是塞贝克效实际上，珀耳帖效应是塞贝克效应的逆效应。应的逆效应。 在上述热电转换效应被发现后，就被人们所利用，最早是用在测温领域，被称为：温差电偶（人们更习惯的称呼是：热电偶，Thermoelectric Couple），现已广泛用于测温技术和温度传感器。热电偶可以用金属材料进行热电转换，因为它所需要的电动势很小（在m
35、V级），但要产生更高的电动势，就需要用半导体材料进行热电转换。现在已经可以利用两种（n型和p型）半导体组成的回路按照珀耳帖效应来制作温差电制冷器温差电制冷器（Thermoelectric Cooling Device，习惯上称为：半导体制冷器）和按照塞贝克效应制作温差温差发电机发电机（Thermoelectric Generator）。为此，人们还提出了一个参数，被称为温差电材料的品质因数，或称为：优质系数（Figure of Merit），该参数一般用符号Z来表示，单位为K-1。 温差发电器（thermoelectric generator）由n型和p型半导体组成温差电偶，其一端由金属板连接
36、起来，另一端串联负载电偶r。由热源提供高温Th，另一端由散热器维持其较低温度Tc。 与所有的发电机一样，当负载电阻R与发电机内阻r相等时，发电机能够获得最大的电功率，发电器的效率定义为有用电功率P与消耗的热能Qa之比。 3.2 温差发电器的原理温差发电器的原理 目前，利用热电转换材料的温差发电机被用到地热能利用、海水温差能利用、工业余热利用等领域。在核领域，Pu238是元素钚的一个重要同位素，它放射性衰变时会恒定地放出热量，以它作为持续不断热源而所制作的温差发电机可作为陆用与空间用的小型核动力电源，该电源在生物、医学、气象学、航空航天领域均有应用。 要求温差发电效率要求温差发电效率maxmax
37、高，就要寻找高，就要寻找优值系数高的高温材料。而材料的温差优值系数高的高温材料。而材料的温差电参数往往依赖温度，有些材料只在某电参数往往依赖温度，有些材料只在某一温度范围内具有较高的优值系数。有一温度范围内具有较高的优值系数。有时可考虑由多种材料连接组成电偶臂，时可考虑由多种材料连接组成电偶臂，使得不同温区都有较高优值系数的材料，使得不同温区都有较高优值系数的材料，不过，这种连接在技术上有一定困难。不过，这种连接在技术上有一定困难。另一方法是晶体生长时掺杂浓度有梯度另一方法是晶体生长时掺杂浓度有梯度变化，使得电偶臂的不同温区的掺杂浓变化，使得电偶臂的不同温区的掺杂浓度都处于最佳值。度都处于最佳
38、值。3.3 热电材料热电材料 许多温差电材料往往只在某一温度许多温差电材料往往只在某一温度范围内有较高的优值系数。在范围内有较高的优值系数。在300oC以以下的低温范围，可采用下的低温范围，可采用Bi-Te-Se，Sb-Bi-Te系；在的系；在的300oC 600oC中温区，中温区，PbTe、SnTe、ZnSb是较好材料；在是较好材料；在600oC 1000oC的高温区，主要温差的高温区，主要温差电材料有电材料有GeSi、MnFe、Re2Si等。等。近近几年来，几年来，PbTe和和CoSb以为基的方钴矿以为基的方钴矿结构等新材料研究日益受到人们的重视。结构等新材料研究日益受到人们的重视。 应该
39、指出，关于热电材料的研究还处于初期阶段，通过进一步深入研究，期望能发现性能更优的温差电（发电与制冷）材料。 4 储能材料储能材料 储能（也称贮能，Energy Storage）包括自然储能自然储能和人为储能人为储能这两大类。植物通过光合作用将太阳能转变为生物能储存、古生物经过久远的演化转换为化石燃料等都属于自然储能过程；但相对来说，人们更重视后一类储能方式，这是因为人为储能可以通过人类的自身努力、按照人们的意愿来可逆地来储存能量与释放能量。人为储能包括：机机械储能械储能（机械储能的应用范围很广，像弹簧储能、飞轮等储能方式）、化学储能化学储能（像一次电池、二次电池和贮备电池等）、电磁储能电磁储能
40、（像超导电磁线圈储能等）、气体储能气体储能（像压缩空气储能等）、液体储能液体储能（像用电谷底时，将水抽到高处等待用电高峰时辅助或增加水力发电、将气体燃料高压压缩为液体燃料等储能方式）、材料储能材料储能等。 这里所介绍的是材料储能，也叫做：储能材料储能材料，它们是能够通过自身的一些特性来储存能量的材料。最常用的两种储能材料是：储热储热材料材料和储存燃料储存燃料的材料。 传统的显式储热方法很多，像直接利用水、碎石等材料的温差实现储热等，虽然其使用起来简单、方便，但因储热效率低，所以不属于新型储热材料的范围。新型的储热材料储热材料是利用材料的相变、结晶、稀释等过程的热效应来实现储热，尤其是利用材料的
41、相变潜热来储热应用范围广泛，这类材料被称为：相变材料或PCM材料材料。 通常所说相变是指以下四种情况： 晶体的晶格转换，例如六方晶格锆在871转换为体心立晶格要吸收53kJ/kg的热量，类似的材料还有CaCl26H2O、Na2HPO4126H2O、Ca（NO3）106H2O、Na2SO410H2O、Na2S2O36H2O； 固、液间的相变，最常见的是冰-水转换，其他材料包括一些盐，像BeCl2、NaF、NaCl、LiH、LiNO3、KCl、B2O3、Al2O3、Al2Cl6、FeCl3、NaOH、H3PO4、KNO3等与一些共熔混合盐，像KCl KNO3、NaClNaNO3、CaCl2LiNO
42、3、BaCl2KClLiCl、KFNaFKNO3、NaClNaNO3NaSO4、KBrKClLiBrLiCl等； 液、气间的相变，最常见的是水-水蒸汽转换； 固气升华（升华热大约等于溶解热与蒸发热之和），除了冰以外，萘和碘等也有这种现象。 目前已知的PCM材料有500多种，具体情况请读者参阅有关的专著或手册。但是请记住：并非所有的相变材料都可以用作相变储能材料，它需要满足以下几个要求：第一是热性能要求，要有合适的相变温度、相变热较大合适的热导率（一般宜大）；第二是化学性能的要求第二是化学性能的要求，像变时不能有熔析现象以免相变材料成分有变化，另外，相变的可逆性要好、过冷度要小、性能稳定、无毒、
43、无腐蚀、无污染、使用安全、不易燃、不易爆、不易氧化变质、结晶快和晶体生长快；第三是物理性能要求；第三是物理性能要求，蒸气压要低、体膨胀率要小、密度要大；第四是经济性能的要求第四是经济性能的要求，原料要易购、价格低。需要特别指出的是：通常PCM材料是由多组分构成，包括：主储热剂、相变点调整剂、防过冷剂、防相分离剂、相变促进剂等。 PCM材料按相变形式来分，有固-固相变型、固-液相变型等；按相变温度来分，有高温型、中温型、低温型；按化学成分来分，有无机型、有机型、复合型，尤其是复合型已经成为PCM材料的一个研究热点。复合型PCM材料的制备方法主要有： 胶囊化技术； 利用毛细管作用将相变材料吸附到多
44、孔基质中； 与聚合物复合； 用湿化学法制备无机/有机纳米复合PCM材料。 储存燃料的材料储存燃料的材料也很多，例如可燃气体水合物，尤其是自然的天然气水合物（简称：NGH，俗称；可燃冰）的探测与开发、合成天然气水合物的研制与开发是未来能源的发展方向之一，但其目前的应用还没有充分展开。目前应用广泛和受到重视的是储存氢气的材料，简称：储氢材料储氢材料。因此，以下将重点介绍的是储氢材料。 氢气是最清洁的一次能源，它热值高、资源丰富、无毒、无污染，常用氢气的制取方法有：天然气制氢、石油制氢、煤制氢、电解水制氢、生物制氢、太阳能制氢、核能制氢、等离子化学制氢等。氢能源的应用范围广泛且适应性很强，目前较多地
45、应用在燃料电池、氢能汽车、氢能热泵等设备上。氢能储存是氢能开发和氢能利用的重要组成部分。常用的储氢方法有：物理法和化学法。 物理储氢法物理储氢法是利用储氢物质与氢分子之间的物理作用或物理吸附来储存氢能。具体的储存方法有：深冷液化储氢、高压压缩储氢、玻璃微球储氢、地下岩洞储氢和超级活性炭吸附储氢、气浆储氢等。另外，用科技方法所制备的福勒稀球（C60）和碳纳米管对氢有较强的吸附作用，其吸氢量比活性炭还要高，有可能成为新一代的储氢材料。 化学储氢法化学储氢法是指储氢物质与氢分子之间发生化学反应生成化合物来具有吸附或释放氢的作用，具体的方法有：金属氢化物储氢、无机化合物储氢和有机液态氢化物储氢等。其中
46、金属氢化物可以储存比其体积大1000 1300倍的氢，能量密度大，成本较低且安全稳定，这是一种很有前途的储氢方法。储氢金属氢化物通常是元素周期表中III V族过渡金属反应生成的氢化物，目前研究较多和投入应用的金属氢化物材料主要有五大类：AB5型稀土-镍系储氢材料；AB2型Laves相储氢材料；AB型钛-铁系储氢材料；A2B镁系储氢材料和钒基储氢固溶体材料。 常用的具体AB5型稀土型稀土-镍系储氢氢化物镍系储氢氢化物有：LaNi5H6.0、MmNi5H6.3、MmCo5H3.0、Mm0.5Ca0.5Ni5H0.5、Mm0.9Ti0.1Ni5H4.5、MmNi4.5Mn0.5H6.6、MmNi2.
47、5Co2.5H5.2、Mm4.5Ni4.5Al0.5H4.9、MmNi4.5Cr0.5H6.3、MmNi4.5Si0.5H3.8、MmNi4.5Cr0.25Mn0.25H6.9、Mm0.5Ca0.5Ni2.5Co2.5H4.5、MmNi4.5Al0.45Ti0.05H5.3、MmNi4.7Al0.3Ti0.05H5.6、MmNi4.5Mn0.45Zr0.05H5.2、MmNi4.5Mn0.5Zr0.05H7.0、MmNi4.7Al0.3Zr0.1H5.0、LaNi4.6Al0.4H5.5等； AB2型型Laves相储氢材料相储氢材料主要有锆基和钛基两类，常用的具体AB2型或A1+B2型Lave
48、s相储氢氢化物有：TiCr1.8H2.6、TiMn1.5H2.5、ZrCr2H3.8、ZrCr2H3、ZrMn2H3、ZrV2H2.8、ZrV2H4.9、Ti1.2CrMnH3.36、Ti1.2Cr1.2Mn0.8H3.20、Ti1.2Cr1.9Mn0.1H2.92、Ti1.1Cr1.2Mn0.8H2.91、Ti1.3Cr1.2Mn0.8H3.24、TiCrMnH3.17等，另外，还有一些较复杂的多元合金体系，像Ti17Zr16V22Ni36Cr7及Ti16Zr16V22Ni39Cr7等属于Ti-Zr-V-Ni-M（M = Cr、Mn、Fe、Co ）体系的多元合金也具有储氢功能； 常用的AB型
49、钛型钛-铁系储氢材料铁系储氢材料有：TiFe合金、TiFe0.90Mn0.10合金、TiFe0.85Mn0.15合金、TiFe0.80Mn0.20合金、TiFe0.70Mn0.30合金以及掺Mm的TiFe合金、掺S的TiFe合金等；常用的A2B镁系储氢氢化物镁系储氢氢化物有：MgH2、Mg2NiH4、Mg2Ni0.75Fe0.25H4、Mg2Ni0.75Co0.25H4、Mg2Ni0.9Cu0.1H4、Mg2Ni0.75Zn0.25H4、Mg2CuH3、Mg3CaH3.7等，另外Mg-Re系、Mg-Ni-Cu系、Mg-Ni-Cu-M（M = Mn、Zr等）系、La-M-Mg-Ni（M = Ca
50、、Zr等）系的镁系储能合金也在研究中，此外人们也发现非晶态的Mg-Ni系的合金具有非常好的储氢效果。 钒与钒基储氢固溶体材料钒与钒基储氢固溶体材料（V-Ti 系、V-Ti-Cr系、V-Ti-Ni等体系的固溶体材料）储氢时可以生成VH或VH2两种类型的氢化物，在V-Ti-Ni体系中人们研究较多的是V3TiNix（x = 0 0.75）。 历史岳麓版第13课交通与通讯的变化资料精品课件欢迎使用自读教材自读教材填要点填要点 一、铁路，更多的铁路一、铁路，更多的铁路 1地位地位 铁路是铁路是 建设的重点，便于国计民生，成为国民经济建设的重点，便于国计民生，成为国民经济发展的动脉。发展的动脉。 2出现出
