1、新能源与能源材料新能源与能源材料风能太阳能化石能源核能潮汐能水力发电一一.能源的概况能源的概况1.能源的重要性能源的重要性 自古以来，人类就为改善生存条件和促进社会自古以来，人类就为改善生存条件和促进社会经济的发展而不停地进行奋斗。在这一过程中，能经济的发展而不停地进行奋斗。在这一过程中，能源一直扮演着重要的角色。源一直扮演着重要的角色。 从世界经济发展的历史和现状来看，能源问题从世界经济发展的历史和现状来看，能源问题已成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题，已成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题，能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和
2、人民生活水平的重要标志和人民生活水平的重要标志，能源问题对社会经济，能源问题对社会经济发展起着决定性的作用。发展起着决定性的作用。 2. 能源的种类 大自然赋予人类的能源是多种多样的，一般可分为常规能源常规能源和新能源新能源两大类。 常规能源常规能源：煤炭、石油、天然气和水能； 新能源新能源：生物质能、核能、风能、地热能、海洋能、太阳能、氢能和化学电源等。 其中煤炭、石油、天然气成为化石能源；水能、生物质能、风能、太阳能和氢能等是可再生能源。3.3.化石能源的问题化石能源的问题 (1)(1)化石能源的短缺化石能源的短缺 能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，是国民经济发展的命脉，但目前主
3、要使用的化石能源的储量不多。 据2002年世界探明的化石能源的储量和使用量统计，世界上煤、石油和天然气的储采比分别为204、40和60年. 中国的情况更为严峻，据2002年统计，中国煤、石油和天然气的储采比只有80、15和45年。这表明在人类历史的长河中，只有很短的一段时间能使用化石能源。 随着我国经济的持续高速增长，对能源的需求也持续攀升。我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤，上升到2010年的24.32亿吨。 据估计，我国在2020和2050年的石油消费量达4.5和6.1亿吨，其中进口量分别为2.7和4亿吨。4亿吨的进口量相当于目前美国的石油进口量，这不但会制约我国经济的可持
4、续发展，而且对国家的安全也十分不利。 化石燃料的使用引起的环境污染,排放的CO2会造成温室效应，使全球气候变暖。有关机构已向联合国发出警告，如再不对CO2的排放采取严厉措施，在10年内，世界的气候将产生不可逆转的变化。 我国的环境污染问题更是日趋严重，目前，我国CO2排放量占世界总排放量的14，在美国之后位居第二，估计到2025年，将位居第一。在本世纪初联合国关于环境污染的调查中，发现在世界上十个环境污染最严重的城市中，七个在中国。它们是太原、北京、乌鲁木齐、兰州、重庆、济南和石家庄。 (2) (2) 化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料造成严重环境污染和气候异常4. 214. 21世纪
5、世界能源发展趋势世纪世界能源发展趋势 (1) 节能技术备受重视节能技术备受重视 节能就是提高能源利用率，减少能源的浪费节能就是提高能源利用率，减少能源的浪费。目前节能技术水平已是一个国家能源利用情况的综合性指标，也是一个国家总体科学技术水平的重要标志。许多研究报告指出，依靠节能可以将能源需求量降低25-30%。 我国在能源利用方面的效率很低，我国的能耗很高，是世界平均水平的2倍，发达国家的5-10倍，因此更应重视节能技术，我国应该充分重视化石能源的高效利用。 (2) (2) 世界能源系统将发生重大变革世界能源系统将发生重大变革 据预测，20世纪形成的以化石燃料为主以化石燃料为主的世界能源系统将
6、在21世纪转换成以可再生能源为主以可再生能源为主的新的世界能源系统。 在20世纪末，化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%。据世界能源委员会(WEC)和国际应用分析系统研究所的研究报告认为，在21世纪上半叶，化石燃料仍将是世界一次能源的主体，但到21世纪下半叶，太阳能、生物质能、风能、化学能源等新能源将占世界能源的50%左右。 (3) (3) 煤炭将作为过渡能源而受到重视煤炭将作为过渡能源而受到重视 由于石油和天然气的储量较少，而煤炭储量相对较多，因此煤炭将作为一种过渡能源而在21世纪上半叶受到重视。主要发展的技术是洁净煤技术、煤液化和汽化技术。洁净煤技术、煤液化和汽化技术。 (4)
7、 (4) 新化石能源的开发将得到强化新化石能源的开发将得到强化 近年来发现，在海洋300米深处有甲烷水合物甲烷水合物存在。目前，甲烷水合物的开发已经受到特别的关注。据估计，世界甲烷水合物的储量可能超过石油、天然气和煤炭储量的总和。因此，甲烷水合物作为储量巨大的未开发能源开始受到世界各国的高度重视。 (5) (5) 核能的利用将进一步得到重视核能的利用将进一步得到重视 据国际原子能机构统计，在20世纪末，全世界运行的核电站有436座，总发电量为3.5亿千瓦。这些电站主要分布在美、法、日、英、俄等31个国家，近年来，由于担心核电站运转的安全性、核废料对环境的影响和核技术扩散对世界安全性的影响，核能
8、的发展在发达国家已有下降趋势，但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势。 受控核聚变是一直受人们关心的技术，因为在海水中大约有23.4亿万吨氘，到如受控核聚变技术在21世纪能得到应用，在21世纪末，核能可望占世界一次能源的30%左右。 (6) (6) 可再生能源的开发将越来越受到重视可再生能源的开发将越来越受到重视 鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起严重的环境污染和气候异常，人们对新能源的开发越来越重视。其中水力能、地热能、海洋能水力能、地热能、海洋能和风能风能的可利用资源有限，因此，太阳能太阳能、生物生物质能质能、氢能氢能和化学电源和化学电源的利用将倍受关注。 二生物质能的利用二生物质能的利用 1
9、 1生物质能的优点生物质能的优点 (1) 生物质来源丰富 地球上每年生长的生物质总量约1400-1800亿吨，相当于目前世界总能耗的10倍，我国的生物质能也极为丰富，可作为能源开发的生物质能总能源开发的生物质能总量可达量可达4.54.5亿吨标准煤亿吨标准煤。加上生物质能可再生。因此，生物质能的高效、规模化利用可有效缓解世界能源供需矛盾。 (a) 直接燃烧直接燃烧。其热能和蒸汽可发电，技术成熟, 但效率低。(b) 生物转化生物转化。包括制沼气和水解发酵制取醇类。 生物质制甲醇和乙醇技术基本成熟，但生产成本较高。生物质制沼气技术相当成熟。(c) 光热转化光热转化。通过气化、裂解、光催化等技术，获得
10、气、液体燃料来发电。(d) 生物柴油生物柴油。从油料植物提取植物油，经甲酯化得生物柴油。它有含氧高、含硫低、分解性能好、燃烧效率高等优点。 (2) (2) 生物质能可多途径利用生物质能可多途径利用 由于生物质利用过程中释放的CO2是其生长过程通过光合作用从环境吸收的，所以生物质能的利用过程不排放额外的CO2，而对环境污染少。 生物质能的利用还能降低污染。如可利用生物质热解汽化技术处理生活垃圾等，可得到以甲烷为主的燃气，实现垃圾的减量化、无害化、资源化。 (3) 生物质能利用其环境污染少 2.2.生物质能利用的问题生物质能利用的问题 生物质能利用的缺点主要是生物质分布广、大面积收集成本高，经济的
11、收集半径在50公里以内，只适合建立小型、分散的生物质能利用系统只适合建立小型、分散的生物质能利用系统。而小型转换系统的效率低，不提高生物质能的利用效率就不能获得好的经济效益，这是生物质能至今未能实现规模化应用的关键问题之一。 因此，如何在小型、分散体系实现能量的高效、清洁及规模化利用是迫切需要解决的问题。 生物质能生物质能涉及材料领域涉及材料领域 生物转化生物转化。包括制沼气和水解发酵制取醇类。 生物柴油生物柴油。从油料植物提取植物油，经甲酯化得生物柴油。三太阳能的利用三太阳能的利用 1.1.太阳能的优点太阳能的优点 (1) (1) 太阳能来源丰富太阳能来源丰富 太阳能来源丰富是众所周知的，这
12、似乎是一种用之不绝、取之不尽的能源。太阳内部不停地进行热核反应，释放出巨大的能量，辐射到地球上的能量只占起辐射总能量的极小部分，约1/22亿，但地球每年接收的太阳能至少有61017千瓦小时，相当于74万吨标准煤的能量。其中被植物吸收的仅占0.015%。可见，开发太阳能利用的潜力很大。 (2)(2)太阳能的使用没有污染问题太阳能的使用没有污染问题 这也是众所周知的，太阳能的使用基本上没有污染问题。(3)(3)太阳能可多途径利用太阳能可多途径利用 (a)太阳能的热利用。如太阳能热水器、太阳灶、太阳能蓄热池发电等。 (b)太阳能发电。如太阳能电池和光电池。 (c)光催化和光电催化制氢。主要用这两种技
13、术从水或生物质中制得氢气。 2.2.太阳能利用的概况太阳能利用的概况 近年来，太阳能的利用发展很快，据1997年的数据，全球太阳能发电量已达800兆瓦。到2000年，日本已有7万个住宅用上太阳能电池，美国和欧盟计划在2010年前安装100万套太阳能电池。 特别是把太阳能电池与屋顶瓦结合成光电发电系统，目前欧洲已有300套，年发电量为1亿千瓦。这种系统不但可供应清洁能源，而且美观耐用，寿命可达25年。太阳能的热利用发展更快。特别在我国，太阳能热水器的年产值已达特别在我国，太阳能热水器的年产值已达100100多亿元，多亿元，居世界首位。居世界首位。 3.3.太阳能利用的问题太阳能利用的问题 开发太
14、阳能利用的主要问题是如何提高太阳开发太阳能利用的主要问题是如何提高太阳能的能的转换效率转换效率，其次是，其次是降低成本降低成本，这对我国特别，这对我国特别重要，目前我国生产太阳能电池的能力已达几百重要，目前我国生产太阳能电池的能力已达几百兆瓦，但由于价格高，基本上都销往国外。兆瓦，但由于价格高，基本上都销往国外。 另外，一些技术，如光催化和光电催化制氢技另外，一些技术，如光催化和光电催化制氢技术还没成熟，没有达到实用化的阶段，应该抓紧术还没成熟，没有达到实用化的阶段，应该抓紧这方面的研究和发展。这方面的研究和发展。太阳能电池与材料领域的关系 太阳能电池太阳能电池(Solar Cell)(Sol
15、ar Cell)可大致分为三代：可大致分为三代：（1 1）第一代为）第一代为硅晶电池硅晶电池，又可大致分为，又可大致分为单晶单晶硅与硅与多晶硅多晶硅两种，商业应用之历史两种，商业应用之历史最悠久，已被广泛应用于家庭与消费性商品最悠久，已被广泛应用于家庭与消费性商品（2 2）第二代产品为）第二代产品为薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池，主要构成材料为，主要构成材料为非晶非晶硅硅(Amorphous)(Amorphous)与二六与二六族化合物族化合物半导体，常被运用于建筑涂料半导体，常被运用于建筑涂料（3 3）第三代即为）第三代即为砷化镓三五族太阳能电池砷化镓三五族太阳能电池，砷化镓，砷化镓( (GaA
16、sGaAs) )被运用于太空作为发电被运用于太空作为发电用途已有很长的历史，主要因为砷化镓具有良好的耐热、耐辐射等特性，因此被用途已有很长的历史，主要因为砷化镓具有良好的耐热、耐辐射等特性，因此被广泛利用在太空发电用途，唯价格过于高昂，故过去未被使用于地面及家庭消费广泛利用在太空发电用途，唯价格过于高昂，故过去未被使用于地面及家庭消费性用途。性用途。 然随着人类对半导体材料的认识益深，搭配上聚光光学然随着人类对半导体材料的认识益深，搭配上聚光光学组件组件，如今三接面砷，如今三接面砷化镓电池之转换效率已可高达化镓电池之转换效率已可高达40%40%，制造成本亦大幅降低。在全球热切寻找永续替，制造成
17、本亦大幅降低。在全球热切寻找永续替代能源的今日，代能源的今日， 高效率砷化镓太阳能电池将是光能发电的另一项重要选择。高效率砷化镓太阳能电池将是光能发电的另一项重要选择。神九飞船上的太阳能电池从火箭发射点火到神舟飞船和火箭分离、太阳能帆板展开前，飞船的电能由蓄电池提从火箭发射点火到神舟飞船和火箭分离、太阳能帆板展开前，飞船的电能由蓄电池提供；太阳电池阵展开后对日定向，开始将太阳光能转化为电能，一方面提供飞船平台供；太阳电池阵展开后对日定向，开始将太阳光能转化为电能，一方面提供飞船平台电能，同时给蓄电池充电，满足飞船在无太阳光区域即地球阴影区的电能需求。如果电能，同时给蓄电池充电，满足飞船在无太阳
18、光区域即地球阴影区的电能需求。如果太阳电池阵不能提供充足的电能，飞船就无法正常工作。太阳电池阵不能提供充足的电能，飞船就无法正常工作。从神一到神六，飞船的从神一到神六，飞船的“翅膀翅膀”上采用的都是硅太阳电池，只能吸收特定光谱范上采用的都是硅太阳电池，只能吸收特定光谱范围的太阳光，其转换效率不高。神舟九号飞船采用中国电子科技集团公司研制的三结围的太阳光，其转换效率不高。神舟九号飞船采用中国电子科技集团公司研制的三结砷化镓太阳电池阵，平均光电转换率为砷化镓太阳电池阵，平均光电转换率为27.56%27.56%，光电转化效率提高了，光电转化效率提高了50%50%以上，发电能以上，发电能力达到国际先进
19、水平。力达到国际先进水平。四四. .氢能的利用氢能的利用1. 1. 氢能的优点氢能的优点(1) 氢是自然界储量最丰富的元素。氢是自然界储量最丰富的元素。(2) (2) 氢是除核燃料外发热量最大的燃料。氢是除核燃料外发热量最大的燃料。(3) (3) 氢燃烧生成水，是世界上最清洁的燃料。氢燃烧生成水，是世界上最清洁的燃料。(4) (4) 燃烧性能好，可燃范围大，燃烧速度快。燃烧性能好，可燃范围大，燃烧速度快。(5) (5) 氢可用多种方法大规模生产。氢可用多种方法大规模生产。(6) (6) 氢的利用形式多，可通过燃烧发电，通过燃料电池氢的利用形式多，可通过燃烧发电，通过燃料电池发电等。发电等。 2
20、.2.对氢能利用的重视对氢能利用的重视2002年加拿大举办了以“氢行星”为主题的第14届世界氢能源大会。 2003年在华盛顿召开15个国家和地区参加的“国际氢能经济合作伙伴”会议。冰岛计划用40年时间将冰岛建成“氢社会”。过去5年，工业化国家在氢能开发领域的投入年均递增20.5。氢将取代天然气、油和煤而成为未来世界的主要能源，进入氢能时代已成为近年来的热门话题，21世纪将是氢能世纪。 我国对发展氢能经济也开始重视，参加了我国对发展氢能经济也开始重视，参加了20032003年在华盛顿年在华盛顿召开的有召开的有1515国家参加的国家参加的“国际氢能经济合作伙伴国际氢能经济合作伙伴”会议。会议。 2
21、0042004和和20052005举办了两次关于氢能经济的中美双边会议。举办了两次关于氢能经济的中美双边会议。 20062006年年1 1月，中国科学院院士局召开了关于月，中国科学院院士局召开了关于“石油替代能源石油替代能源”的研讨会，主要讨论石油资源可持续性分析、石油的替代的研讨会，主要讨论石油资源可持续性分析、石油的替代能源、氢能燃料和我国的石油替代能源。并要组织人员进能源、氢能燃料和我国的石油替代能源。并要组织人员进行软课题研究。行软课题研究。(1)氢的价格 氢的制备、储存和运输中的价格问题，是影氢的制备、储存和运输中的价格问题，是影响走进氢能时代的很关键的问题。要降低其价响走进氢能时代
22、的很关键的问题。要降低其价格，必须形成氢的制备、储存和运输的网络。格，必须形成氢的制备、储存和运输的网络。3.3.氢能的问题氢能的问题 (2)(2)廉价清洁的制氢技术问题廉价清洁的制氢技术问题 目前制氢效率很低目前制氢效率很低, ,氢的制取要消耗大量的能量，因氢的制取要消耗大量的能量，因此寻求大规模的廉价清洁的制氢技术是各国科学家共同关此寻求大规模的廉价清洁的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。心的问题。 (a) (a) 化石燃料制氢：目前，化石燃料制氢：目前，9696氢从化石燃料制备，技术氢从化石燃料制备，技术 成熟，但要造成环境污染。成熟，但要造成环境污染。 (b) (b)电解水制氢：技术
23、成熟，但耗能多、价格高。电解水制氢：技术成熟，但耗能多、价格高。 一般每生产一般每生产1 1立方米的氢气，需要消耗立方米的氢气，需要消耗4.2-64.2-6度的电能，度的电能，其能量转化率不到其能量转化率不到3232。 (c)(c)生物质制氢：有可再生、产量大、可储存、碳循环等优点，生物质制氢：有可再生、产量大、可储存、碳循环等优点，从中长期看是最有前途的制氢方式。目前生物质制氢效率低。从中长期看是最有前途的制氢方式。目前生物质制氢效率低。 (d)(d)生物制氢：国内外在选育高效产氢菌株工作进展不快，制生物制氢：国内外在选育高效产氢菌株工作进展不快，制氢效率低。氢效率低。 (e)(e)风能制氢
24、：用风能发电来电解水产生氢，技术上没有问题，风能制氢：用风能发电来电解水产生氢，技术上没有问题，降低成本和风能发电量少是主要的问题。降低成本和风能发电量少是主要的问题。 (f)(f)太阳能制氢：该法还处在基础研究阶段，离商业化还有较太阳能制氢：该法还处在基础研究阶段，离商业化还有较远的距离。远的距离。(3)(3)氢的储运问题氢的储运问题氢的储运技术主要解决储运的安全性和成本，现在由于储运氢的储运技术主要解决储运的安全性和成本，现在由于储运技术不过关，因此浪费了许多氢。技术不过关，因此浪费了许多氢。许多工业过程，如炼油、炼焦、氯碱、合成氨、合成甲醇及许多工业过程，如炼油、炼焦、氯碱、合成氨、合成
25、甲醇及煤气制造等多有大量的副产品氢气，只是由于储运技术的问煤气制造等多有大量的副产品氢气，只是由于储运技术的问题而不能被利用。题而不能被利用。我国每年放空和烧掉的氢气至少在我国每年放空和烧掉的氢气至少在10101010标立方米以上。标立方米以上。因此解决氢的储运问题也是走进氢能时代的一个很关键的问因此解决氢的储运问题也是走进氢能时代的一个很关键的问题。目前氢的储运还有很大问题。题。目前氢的储运还有很大问题。 (a) 高压储氢：储氢量少，只有高压储氢：储氢量少，只有1 1左右，还有不安全的问左右，还有不安全的问题。题。(b) (b) 液氢储氢：很不方便，储氢设备大，蒸发损失大。液氢储氢：很不方便
26、，储氢设备大，蒸发损失大。(c) (c) 吸附储氢：这是目前的研究热点，但储氢容量还较低，吸附储氢：这是目前的研究热点，但储氢容量还较低，一般不超过一般不超过2 2。鎂合金储氢在。鎂合金储氢在3 3，但储放不可逆。热门，但储放不可逆。热门一时的纳米碳管储氢也已没有了希望，最终的储氢量也只一时的纳米碳管储氢也已没有了希望，最终的储氢量也只有有1 1左右。左右。(e) (e) 化合物储氢：放氢不容易。化合物储氢：放氢不容易。(4) (4) 燃料电池还没有商品化燃料电池还没有商品化 用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢能利用的重要原因。用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢能利用的重要原因。近年来，由于化
27、石燃料资源短缺和环境污染日趋严重，各近年来，由于化石燃料资源短缺和环境污染日趋严重，各国对燃料电池的研究十分重视。美国国对燃料电池的研究十分重视。美国时代周刊时代周刊把燃料把燃料电池列为电池列为2121世纪十大高新科技之首，燃料电池已被认为是世纪十大高新科技之首，燃料电池已被认为是2121世纪极具应用前景的一种新型能源系统。世纪极具应用前景的一种新型能源系统。 虽然燃料电池有很诱人的优点，而且燃料电池的发展已有虽然燃料电池有很诱人的优点，而且燃料电池的发展已有100100多年的历史，但至今还没有一种燃料电池已经真正商多年的历史，但至今还没有一种燃料电池已经真正商品化，因此，燃料电池何时才能商品
28、化是一个与氢能利用品化，因此，燃料电池何时才能商品化是一个与氢能利用密切相关的问题。密切相关的问题。 五燃料电池加速氢能利用五燃料电池加速氢能利用 1 1燃料电池的优点燃料电池的优点(1)(1) 燃料电池是一种高效清洁的能量转换系统，可降燃料电池是一种高效清洁的能量转换系统，可降低环境污染和气候异常。低环境污染和气候异常。(2) (2) 燃料电池能高效利用生物质转化产生的气、液燃料电池能高效利用生物质转化产生的气、液物质和氢作燃料，因此，能促进氢能的利用。物质和氢作燃料，因此，能促进氢能的利用。(3) (3) 燃料电池的发电效率不受体系规模限制，小型燃料电池的发电效率不受体系规模限制，小型燃料
29、电池同样能够实现高效发电，适合于生物质燃料电池同样能够实现高效发电，适合于生物质分散性的特点。分散性的特点。 2.2.燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理 阳极反应：H2 = 2H+ + 2e 阴极反应：1/2O2 + 2H+ + 2e = H2O 总的反应：H2 1/2O2 = H2O4.4.燃料电池分类燃料电池分类(1)(1)碱性燃料电池碱性燃料电池(AFC)(AFC)阳 极：催化剂：Pt，燃 料：氢阴 极：催化剂：Ag，氧化剂：氧电 解 液：30KOH隔 膜：石棉膜工作温度：6080oC用 途：航天器和潜艇的动力源航天器和潜艇的动力源优 点：比能量和比功率高缺 点：对CO2敏感，不宜地面
30、使用 (2)(2)磷酸燃料电池磷酸燃料电池(PAFC)(PAFC) 阳极：催化剂：Pt，燃 料：氢 阴极：催化剂：Pt，氧化剂：氧 电解液：98磷酸 工作温度：200oC 用途：家庭住宅能源和汽车动力源家庭住宅能源和汽车动力源 优点：稳定性好，已有商品生产。 缺点：用贵金属作催化剂，价格高。(3)(3)质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(PEMFC)(PEMFC)阳极：催化剂：阳极：催化剂：PtPt，燃料：氢，燃料：氢阴极：催化剂：阴极：催化剂：PtPt，氧化剂：氧，氧化剂：氧电解液：含水的质子交换膜电解液：含水的质子交换膜工作温度：工作温度：60608080o oC C用途：用途：汽车和潜
31、艇等的动力源汽车和潜艇等的动力源。优点：比能量和比功率高，寿命长，应用范围广。优点：比能量和比功率高，寿命长，应用范围广。缺点：对缺点：对COCO敏感，价格高，敏感，价格高，800800美元美元/ /千瓦，燃机千瓦，燃机5050美元美元/ /千瓦千瓦。 (4)(4)直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池(DMFC)(DMFC) 阳极：催化剂：Pt合金，燃 料：氢 阴极：催化剂：Pt， 氧化剂：氧 电解液：含硫酸的质子交换膜 工作温度：6080oC 用途：可移动的小型电子仪器设备动力源可移动的小型电子仪器设备动力源 优点：比能量高，体积小 问题：Pt对甲醇氧化电催化效率低， 易被甲醇氧化中间产物毒化，
32、 甲醇会透过质子交换膜。(5)(5)熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)(MCFC) 阳极：催化剂：Ni，燃 料：氢 阴极：催化剂：NiO,氧化剂：氧 电解液：熔融碳酸盐（NaCO3-LiCO3）。 工作温度：600oC 用途：发电站 优点：反应温度高，不需贵金属催化剂。 可用含CO的燃料气。寿命长。 能量转换率高，可达80。 问题：高温下，电解液会腐蚀电极材料。寿命2万小时， 商业上要4万小时。(6)(6)固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)(SOFC) 阳极：催化剂：NiZrO2，燃 料：甲烷，氢 阴极：催化剂：NaCrO4等,氧化剂：氧 电 解 液：ZrO2，Ce
33、O2等 工作温度：900oC 用途：发电站发电站 优点：不需贵金属催化剂。寿命长。可用各种燃料气。 抗中毒能力强。能量转换率最高，可达80以上。 问题：高温下，密封困难，放大困难。价格高。5.PEMFC5.PEMFC发展现状发展现状(1) 世界各国对世界各国对PEMFCPEMFC的重视的重视 近十年来，PEMFC技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视，已出现许多PEMFC电动车样车。 20082008年奥运会期间，有我国生产的燃料电池电动车会小批年奥运会期间，有我国生产的燃料电池电动车会小批量、示范性地行驶在街头。量、示范性地行驶在街头。 到到20102010年世博会期间，年世
34、博会期间，2020辆燃料电池公交车、辆燃料电池公交车、300300辆燃料电辆燃料电池出租车、池出租车、10001000辆电动汽车以及一批燃料电池场地车和邮辆电动汽车以及一批燃料电池场地车和邮政车都将投入运行，届时，上海将建成政车都将投入运行，届时，上海将建成5 5座加氢站来满足这座加氢站来满足这些车辆对氢燃料的需求。些车辆对氢燃料的需求。 (2)PEMFC(2)PEMFC商业化的问题商业化的问题 (a)价格问题价格问题美国能源部认为，汽车用美国能源部认为，汽车用PEMFCPEMFC的最终的价格达到的最终的价格达到$50-$50-100/kW100/kW时，才能有竞争能力，因为现在内燃机的价格为
35、时，才能有竞争能力，因为现在内燃机的价格为$50/kW$50/kW左右，而现在左右，而现在PEMFCPEMFC的价格在的价格在$800/kW$800/kW左右。左右。在现在技术的基础上，即使在现在技术的基础上，即使PEMFCPEMFC的产量为每年的产量为每年5050万台，万台，其价格也要在其价格也要在$300/kW$300/kW。 PEMFCPEMFC价格高的主要是由于高价格高的主要是由于高的电池壳体的加工费和离子交换膜膜价格高而引起的。的电池壳体的加工费和离子交换膜膜价格高而引起的。另外运行成本也远高于燃油汽车。另外运行成本也远高于燃油汽车。(b) (b) 燃料问题燃料问题 目前的PEMFC
36、一般用高压氢作燃料,但高压氢作燃料有不安全、载量低、加油站改装要巨大费用等问题。现在发展了超高压氢技术。 研制甲醇、汽油和天然气裂解的随车制氢技术。但目前车载天然气重整制氢技术离实用还有相当的距离。美国能源部基本放弃该路线。 用储氢材料制备储氢装置还没有过关，储氢容量太低。现在许多生产过程都能产生氢副产品，由于没有好的储氢技术而放空烧掉。合金储氢合金储氢是应重点发展的技术，因为这类储氢方法比较安全，可逆性好，如其储氢容量能提高到4以上，就能得到应用。(c) Ptc) Pt资源缺乏资源缺乏六六. .发展新能源的新思路发展新能源的新思路1.1.不要孤立地研发新能源不要孤立地研发新能源 过去，一般都
37、是孤立地去考虑各种新能源的研究和过去，一般都是孤立地去考虑各种新能源的研究和开发，而没有注意各种新能源之间的内在联系，这样，开发，而没有注意各种新能源之间的内在联系，这样， 新能源的整体效益必然下降新能源的整体效益必然下降。2.2.发展新能源的新思路发展新能源的新思路 由于太阳能、生物质能和氢能都是很有希望的新能由于太阳能、生物质能和氢能都是很有希望的新能源，考虑到它们的内在联系，我们提出同时研究和发源，考虑到它们的内在联系，我们提出同时研究和发展它们的新思路。进行展它们的新思路。进行太阳能、生物质能太阳能、生物质能和和氢能氢能的综的综合循环利用。合循环利用。H2CO2H2储存与运输能量H2O
38、光电催化生物光电催化生物质等制氢技术质等制氢技术燃料电池太阳能、生物质能和氢能的综合循环利用太阳能、生物质能和氢能的综合循环利用能源材料 化学电源-将化学能转变为电能的装置。锂离子电池虽然化学电源作为能源装置不能与火力发电、水力发电、原子能发电的作用相提并论，但它特有的良好的可移性和简便的供电方式则是不可代替的。锂离子电池是进十几年才发展起来的一种高能量的二次电池.由于锂离子电池具有高电压、高容量高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长循环寿命长、安全性能安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。 1990年首先为日本
39、的索尼（Sony）公司开发成功， 1991年就实现了商品化， 1992年作为电动汽车的动力源进行开发研究, 1996年三菱公司在北京展出了以锂离子二次电池为动 力的电动汽车概念车. 目前，锂离子电池产品已大批量进入市场，但电池中很多理论问题、技术问题仍在研究、发展之中。 1.工作原理2.锂离子电池组成正极材料：钴酸锂（即锂钴氧化物）是最早商业化的锂离子二次电池正极材料。锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物是目前研究最为热门的正极材料。负极材料：石墨化碳材料，如：石墨、石墨化中间相碳微球以及炭/锡纳米复合材料 等。锂离子电池的组成锂离子电池的组成：1、正极、正极2、负极、负极3、有机电解液、有机电
40、解液4、隔膜、隔膜5、电池壳、电池壳高性能的电极材高性能的电极材料是制约锂离子料是制约锂离子电池应用的关键电池应用的关键因素因素3. 几种锂离子电池正极材料的比较LiNixCoyMn1-x-yO2 材料的特点 具有比容量高; 抗过充电性能好; 热稳定性能高; 循环性能与钴酸锂相当； 成本低； 耐过充现象、安全性高。 多元正极材料LiNixCoyMn1-x-yO2成为目前研究的热点之一。LiNixCoyMn1-x-yO2 电极材料制备关键技术 锰、钴和镍元素在产物中的均匀分布，是合成该材料的关键；锰、钴和镍元素在产物中的均匀分布，是合成该材料的关键； 粉末材料晶体粒子形貌、粒径分布及尺寸的调控技
41、术。粉末材料晶体粒子形貌、粒径分布及尺寸的调控技术。 提高其振实密度则是提高其振实密度则是LiNiLiNix xCoCoy yMnMn1-x-y1-x-yO O2 2走向大规模应用的关键。走向大规模应用的关键。合成LiNixCoyMn1-x-yO2 电极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 电极材料电极材料正极材料正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O24.LiFePO4-锂离子电池动力源正极材料 LiFePOLiFePO4 4的特殊结构决定了其具有脱嵌锂离子的性能，被的特殊结构决定了其具有脱嵌锂离子的性能，被认为是新一代有广阔发展前景的锂离子电池正极材料。认为是新一代有广阔发展前
42、景的锂离子电池正极材料。不同烧结温度的SEM（由左至右600，700，800）导电性差；离子传输性差LiFePO4倍率性能5. 5. 锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料6. 金属锂 金属锂是比容量里最高的负极材料。由于金属锂异常活泼，金属锂是比容量里最高的负极材料。由于金属锂异常活泼，所以能与很多无机物和有机物反应。在锂电池中，所以能与很多无机物和有机物反应。在锂电池中，锂电极锂电极与非水有机电解质容易反应，在表面形成一层钝化膜（固与非水有机电解质容易反应，在表面形成一层钝化膜（固态电解质界面膜，态电解质界面膜，SEISEI），），使金属锂在电解质中稳定存在，使金属锂在电解质中稳定存在，这是
43、锂电池得以商品化的基础。这是锂电池得以商品化的基础。 缺点：缺点：二次锂电池在充电过程中，新沉积的锂的表面由于二次锂电池在充电过程中，新沉积的锂的表面由于没有钝化膜保护，形成弥散态的锂，在负极表面会形成枝没有钝化膜保护，形成弥散态的锂，在负极表面会形成枝晶，造成电池短路，电池被毁，甚至爆炸起火。晶，造成电池短路，电池被毁，甚至爆炸起火。7. 7. 炭材料炭材料 炭材料是人们最早开始研究并应用于锂离子电池的生产中、炭材料是人们最早开始研究并应用于锂离子电池的生产中、至今仍为大家关注和研究的重点之一至今仍为大家关注和研究的重点之一 。 目前已商业化的锂离子电池炭负极材料可概括为目前已商业化的锂离子
44、电池炭负极材料可概括为改性石改性石墨、沥青基炭材料和树脂基炭材料。墨、沥青基炭材料和树脂基炭材料。 商业用锂离子电池负极材料主要以石墨为主，商业用锂离子电池负极材料主要以石墨为主，但但其理论比其理论比容量较低容量较低, ,已很难满足电动汽车对大容量高功率化学电源已很难满足电动汽车对大容量高功率化学电源的广泛需求。的广泛需求。8. Sn-Sb合金锡锑合金的优点：锡锑合金的优点：容量高容量高(Sn:996; Sb:660mAh/g)、导电性好、加工性能好、环境、导电性好、加工性能好、环境友好、具有快速充放电能力、能防止溶剂的共插入、安全性好友好、具有快速充放电能力、能防止溶剂的共插入、安全性好锡锑
45、合金的缺点解决非碳类负极材料循环稳定性差的办法解决非碳类负极材料循环稳定性差的办法体积变化大，体积效应导致材料的粉化、剥落，循环性能差体积变化大，体积效应导致材料的粉化、剥落，循环性能差1、纳米化或薄膜化：减少体积膨胀，缩短、纳米化或薄膜化：减少体积膨胀，缩短Li+迁移路径迁移路径2、引入惰性基体：缓解体积膨胀和机械应力、引入惰性基体：缓解体积膨胀和机械应力3、特殊结构：提高循环性能、特殊结构：提高循环性能共沉积方法制备共沉积方法制备Sn-SbSn-Sb及及Sn-Sb-Cu-OSn-Sb-Cu-O合金合金0 0101020203030404050506060707080809090 10010
46、00 010010020020030030040040050050060060070070080080090090010001000 S-500S-500S-400S-400S-300S-300S-200S-200the pristinethe pristineChargeCharge capacity(mAh/g) capacity(mAh/g)Cycle nubmerCycle nubmer a a0 0101020203030404050506060707080809090 1001000 0100100200200300300400400500500600600700700800800
47、900900 S-500S-500S-400S-400S-300S-300S-200S-200the pristinethe pristineDischargeDischarge capacity(mAh/g) capacity(mAh/g)Cycle nubmerCycle nubmer b bSn-Sb-Cu-O合金电极的循环性能合金电极的循环性能结论：结论：400400得到的电极的电化学性能最好，电极循环得到的电极的电化学性能最好，电极循环100100次后，容量没有次后，容量没有衰减，仍保持在衰减，仍保持在600mAh/g 600mAh/g 以上。以上。Sn-Sb纳米结构负极的制备及其电
48、化学性能纳米结构负极的制备及其电化学性能303040405050606070708080C3,t3C3,t3 IntensityIntensity2Thtea2ThteaC1,t1C1,t1C2,t2C2,t2：Cu：Cu：Sb：Sb：SnSb：SnSb0 05 5101015152020252530300 020020040040060060080080010001000 Charge capacity(mAh/g)Charge capacity(mAh/g)Cycle numberCycle numberC1,t1C1,t1C2,t2C2,t2C3,t3C3,t3(a)(a)0 05 51
49、01015152020252530300 020020040040060060080080010001000120012001400140016001600Charge capacity(mAh/g)Charge capacity(mAh/g) Cycle numberCycle numberS3,t3S3,t3S2,t2S2,t2S1,t1S1,t19. Fe3O4/GN纳米复合材料纳米复合材料过渡金属氧化物，如NiO、Fe3O4、 Fe2O3、SnO2、Co3O4、CuO是最有应用前景的锂离子电池高性能负极材料。其中Fe3O4基于新的转换机制具有928mAh/g的理论容量，远高于已经商业化
50、的石墨（372mAh/g），并且来源丰富、低成本和环境友好等优点，使其成为颇具潜力的负极材料。(a) GO、GN、Fe3O4纳米粒子和Fe3O4/GN纳米复合材料的XRD谱图(b) Fe3O4/GN纳米复合材料中Fe2p的XPS谱图 (a) 纯GO的TEM；(b) 纯GN的TEM；(c)和(d) Fe3O4/GN纳米复合材料的SEM和EDS (e-h) Fe3O4/GN纳米复合材料的HRTEM，(e)中嵌入图为Fe3O4纳米粒子TEM (a) GN，(b) Fe3O4纳米粒子和(c) Fe3O4/GN纳米复合材料的充放电电压曲线； (d) GN， Fe3O4纳米粒子和(c) Fe3O4/GN纳
