1、1新能源材料新能源材料 New Energy Materials 张景璋材料加工工程2主要分类主要分类太阳能电池材料太阳能电池材料储氢材料储氢材料新型二次电池材料新型二次电池材料 燃料电池材料燃料电池材料核能材料核能材料 3 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础能源是人类社会生存和发展的重要物质基础, ,是现代是现代文明的三大支柱之一文明的三大支柱之一。 目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类的的矿物能源矿物能源为主，不但为主，不但严重破坏生态环境严重破坏生态环境，而且，而且矿矿物能源不可再生物能源不可再生，能源枯竭能源枯竭已成为共识。已成为
2、共识。 煤炭开采煤炭开采海上石油开采平台海上石油开采平台严重的生态破坏严重的生态破坏4 生态环境严重破坏：生态环境严重破坏： 19521952年年1212月，伦敦月，伦敦烟雾烟雾； 酸雨；酸雨； 河流河流干涸；干涸；56 巨大的能源危机：巨大的能源危机：已开采已开采800800亿吨石油，按现在的开采速度，亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明地球上已探明的的17701770亿吨亿吨石油石油储量储量仅够开采仅够开采5050年年; ;已探明的已探明的173173万亿立方米万亿立方米天然气天然气仅够开采仅够开采6363年年；已探明的已探明的98279827亿吨亿吨煤炭煤炭还可用还可用300300
3、年到年到400 400 年年; ;已探明的已探明的铀铀储量约储量约490490万吨，万吨，钍钍储量约储量约275275万吨，全球万吨，全球441441座座核电站每年消耗核电站每年消耗6 6万多吨浓缩铀，万多吨浓缩铀，仅够使用仅够使用100100年左右年左右。 世界各国世界各国水能水能开发也已近饱和，开发也已近饱和，风能、太阳能风能、太阳能尚无法满足尚无法满足人类庞大的需求。人类庞大的需求。7 我国作为发展中大国，我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用能源消耗巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。率不高，能源结构也不合理。20092009年，年，中国风力发电量达到了中国风力发电量达到了25
4、.825.8亿瓦亿瓦，超过了德国，超过了德国的的25.7725.77亿瓦，仅次于美国亿瓦，仅次于美国3535亿瓦；亿瓦；20202020年，中国将投入足以实现年发电量年，中国将投入足以实现年发电量150150亿瓦的风力亿瓦的风力涡轮机，涡轮机，成为世界最大的风能生产国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，尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只但风力发电量只占据中国电力消耗总量的占据中国电力消耗总量的1% 1% 。8 为缓解和解决能源危机，科学家提出为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最资源与能源最充分利用技术充分利用技术和和环境最小负担技术环境最小负担技术
5、。 新能源与新能源材料新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。是两大技术的重要组成部分。 新能源的发展必须靠利用新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源新的原理来发展新的能源系统系统，同时还必须靠，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新新材料的开发与利用才能使新系统得以实现系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。，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发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。9 新能源包括新能源包括 太阳能太阳能 生物质能生物质能 核能核能 风能风能 地热地热 海洋能海洋能 氢能氢能太阳能太阳能氢能氢能风能风能潮汐能潮汐能地热地热核能核能
6、10 新能源材料新能源材料是指是指能实现新能源的转化和利用能实现新能源的转化和利用以及以及发展新发展新能源技术所需的关键材料能源技术所需的关键材料，主要包括：，主要包括： 硅半导体为代表的太阳能电池材料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铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料 -11主要特点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能把原来使用的能源转变成新能源；新能源材料可提
7、高贮能效率，有效进行能量转换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。新能源材料可以增加能源利用的新途径。内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站太阳能热水器太阳能热水器12太阳能电池材料太阳能电池材料13 太阳能在未来能源结构中占有重要地位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地球上一年接受的太阳能总量为3.83.810101818kWkW，远大，远大于人类对能源的需求量；于人类对能源的需求量；分布广泛，不需要开采和运输；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；不存在枯竭问题，可以长期利用
8、；安全卫生，对环境无污染等。安全卫生，对环境无污染等。人造卫星上的太阳能电池人造卫星上的太阳能电池14 西班牙塞维利亚太阳能发西班牙塞维利亚太阳能发电站电站欧洲最大的太阳能欧洲最大的太阳能电站，可供电站，可供1818万户使用，万户使用，每年减排每年减排6060万吨万吨COCO2 2槽式太阳能蝶式太阳能16 通过通过光电转化光电转化将将太阳辐射能转化为电能太阳辐射能转化为电能加以利用是加以利用是太阳能利用中最活跃的研究领域。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太阳能电池开发综合利用系统17 太阳能光电转化的核心装置是太阳电池
9、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太阳电池的工作原理是光伏效应光伏效应：太阳光照在半导体：太阳光照在半导体p-np-n结上，形成空穴结上，形成空穴- -电子对，在电子对，在p-np-n结内建电场的作结内建电场的作用下，光生空穴流向用下，光生空穴流向p p区，光生电子流向区，光生电子流向n n区，接通电区，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路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。原理。光伏效应示意图光伏效应示意图太阳能电池太阳能电池P型半导体N型半导体19全球最大规模的光伏太阳能发电全球最大规模的光伏太阳能发电项目项目鄂尔多斯市政府与美国鄂尔
10、多斯市政府与美国first solarfirst solar公司共建公司共建20002000兆瓦兆瓦太阳能光伏发电厂太阳能光伏发电厂20 世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中心等永久世博中国馆、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建筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过4.684.68兆瓦兆瓦的太阳能电池，每年能减排二氧化碳的太阳能电池，每年能减排二氧化碳40004000吨。吨。 主题馆屋面太阳能板面积达主题馆屋面太阳能板面积达3 3万多平方米，万多平方米，是目前世是目前世界最大的单体面积太阳能屋面界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量，年发电量280280万
11、度，万度，每年减排二氧化碳每年减排二氧化碳28002800吨，节约标准煤吨，节约标准煤10001000多吨。多吨。 世博中国馆世博中国馆世博主题馆世博主题馆21 20112011年年5 5月，世界首架月，世界首架无污染太阳能飞机无污染太阳能飞机进行跨国进行跨国飞行飞行( (从瑞士飞抵布鲁塞尔需从瑞士飞抵布鲁塞尔需1313小时小时) )，飞行高度可飞行高度可达达87008700米米，平均飞行速度为平均飞行速度为70-12070-120公里公里/ /小时小时。 用用超轻碳纤维材料超轻碳纤维材料制成，总重制成，总重1.61.6吨，由吨，由4 4台小型电台小型电力发动机驱动，力发动机驱动，机翼配备机翼
12、配备1.21.2万个太阳能电池板，万个太阳能电池板，翼展长度大约翼展长度大约6464米米。 22晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池 晶体硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积晶体硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积pnpn结，在结，在p p型硅片上制作很薄的掺杂型硅片上制作很薄的掺杂n n型层，在型层，在n n型层上型层上制作金属栅线作为正面接触电极，在背面制作金属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。膜作为背面接触电极。 晶体硅太阳电池具有晶体硅太阳电池具有性能稳定、资源丰富、无毒性性能稳定、资源丰富、无毒性等优点等优点，是目前市场上的主导产品。，是目前市场上的主导
13、产品。单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池23非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池 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，电池效率已达到1313；世界总组件生产能力达到；世界总组件生产能力达到每年每年50MW50MW，应用规模从手表、计算机等消费品用电，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。源发展到兆瓦级的独立电站。非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池24化合物太阳能电池化合物太阳能电池 化合物太阳电池所用材料包括化合物太阳电池所用材料包括II-VIII-VI族化合物和族化合物和III-V
14、III-V族化合物族化合物。 II-VIII-VI族化合物包括族化合物包括CdTeCdTe和和CdSCdS等等，制成的薄膜太阳电池转换效率，制成的薄膜太阳电池转换效率高、成本低、易于大规模生产。高、成本低、易于大规模生产。 III-VIII-V族化合物包括族化合物包括GaAsGaAs和和InPInP等等，可制成薄膜太阳电池，转换效，可制成薄膜太阳电池，转换效率高、抗辐照性能好，是较理想率高、抗辐照性能好，是较理想的空间太阳电池。的空间太阳电池。太空站上的太空站上的GaAs太阳电池太阳电池高原用的高原用的GdTe太阳电池太阳电池25纳米太阳电池纳米太阳电池 纳米太阳电池纳米太阳电池( (简称简称
15、NPCNPC电池电池) )是一种由是一种由镀有透明导电镀有透明导电膜的导电玻璃、多孔纳米膜的导电玻璃、多孔纳米TiOTiO2 2、染料光敏化剂、固、染料光敏化剂、固体电解质膜以及铂电极体电解质膜以及铂电极组成的一种光电化学式电池组成的一种光电化学式电池。纳米太阳电池的结构纳米太阳电池的结构26 中国尚德电力和澳大利亚斯威本科技大学中国尚德电力和澳大利亚斯威本科技大学已研制出最高已研制出最高效的宽波段纳米薄膜太阳电池，效的宽波段纳米薄膜太阳电池，光电转化效率为光电转化效率为8.1%8.1%。为捕获更多太阳光，将为捕获更多太阳光，将金金/ /银纳米粒子银纳米粒子嵌入薄膜中，增加嵌入薄膜中，增加电池
16、可吸收太阳光的波长范围，提高光子转化电子效率；电池可吸收太阳光的波长范围，提高光子转化电子效率；进一步使用进一步使用有核的或表面凹凸不平的纳米粒子有核的或表面凹凸不平的纳米粒子，大幅提高，大幅提高薄膜的比表面积。薄膜的比表面积。Xi Chen, Baohua Jia, et al, Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles, nano letters, doi.org/10.1021/nl203463z| Nano Lett
17、27储氢材料储氢材料 28 氢能是人类未来的理想能源。氢能是人类未来的理想能源。氢能热值高氢能热值高，如燃烧，如燃烧1kg1kg氢可发热氢可发热1.41.410105 5kJkJ，相当于，相当于3kg3kg汽油或汽油或4.5kg4.5kg焦炭的发热量；焦炭的发热量；资源丰富资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到11.111.1；干净、清洁干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染；，燃烧后生成水，不产生二次污染；应用范围广，适应性强应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。氢能汽车、化学
18、热泵等。 氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。29 氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术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。目前市售氢气一氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一般是在般是在150150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到钢瓶重量的钢瓶重量的1/1001/100，且有爆炸危险，很不方便。，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，主要包括氢材料，主要包括活性炭、无机化合物
19、、有机化合活性炭、无机化合物、有机化合物以及合金化合物四大类储氢材料物以及合金化合物四大类储氢材料。常用高压氢气瓶常用高压氢气瓶30活性炭储氢活性炭储氢 活性炭比表面积可达活性炭比表面积可达2000m2000m2 2/g/g以上，低温加压可吸附储氢。以上，低温加压可吸附储氢。活性炭活性炭原料易得，吸附储氢和原料易得，吸附储氢和放氢操作都比较简单放氢操作都比较简单。 富勒烯富勒烯(C(C6060) )和碳纳米管和碳纳米管(CNT)(CNT)对氢气具有较强的吸附作用。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单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高，炭高，H H2 2的吸附量可达的吸附量可达5 5
20、-10-10( (质量分数质量分数) )，有望成为新一，有望成为新一代储氢材料代储氢材料。富勒烯富勒烯C60碳纳迷管碳纳迷管31合金化合物储氢合金化合物储氢 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氢气的合金被称为储氢合金储氢合金。 氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，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，如形成金属氢化物，如TiHTiH2 2、ZrHZrH1.91.9、PrHPrH2.82.8、TiTi1.41.4CoHCoH、LaNiLaNi5 5H H、MmNiMmNi4.54.5H H6.66
21、.6等。等。氢原子在合金化合物中的占位：氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；四面体；(b)八面体八面体a ab b32 储氢合金储氢合金可储存比其体积大可储存比其体积大1000-13001000-1300倍的氢倍的氢，而，而且合金中存储的氢结合力较弱，当金属氢化物受热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。时又可释放氢气。0123450123454.2wt%Carbon nanotube(RT,10MPa 氢压)3.6wt%1.8wt%1.4wt%Hydrogen storage capacity (wt%) LaNi5H6 TiFeH1.9 Mg2NiH4 Hydr
22、ogen storage capacity (wt%) per weight储氢合金的储氢量比较储氢合金的储氢量比较33 储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：储氢量大，能量密度高储氢量大，能量密度高；吸氢和放氢速度快吸氢和放氢速度快；氢化物生成热小氢化物生成热小； 分解压适中分解压适中：容易活化容易活化；化学稳定性好化学稳定性好；在储运中安全、无害在储运中安全、无害；原料来源广、成本价廉原料来源广、成本价廉。34新型二次电池材料新型二次电池材料35 一次电池使用后常随普通垃圾一起被丢弃或掩埋，一次电池使用后常随普通垃圾一起被丢弃或掩埋，造成资
23、源浪费，同时电池中的重金属元素泄露也会造成资源浪费，同时电池中的重金属元素泄露也会污染地下水和土壤。污染地下水和土壤。 二次电池或蓄电池：二次电池或蓄电池：放电时通过化学反应产生电能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，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。能形式重新储存起来。镍氢充电电池镍氢充电电池Li离子充电电池离子充电电池36 传统二次电池如铅酸电池和镉镍电池理论比能量低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。，且铅和镉都是有毒金属，对环境污染极大。 目前应用较广的是目前应用较广的是镍氢
24、电池镍氢电池( (表示为表示为Ni/MHNi/MH电池电池) )和锂和锂离子电池离子电池( (表示为表示为LIBLIB电池电池) )，不但性能优良，而且污，不但性能优良，而且污染较小，被称为绿色电池。染较小，被称为绿色电池。铅酸蓄电池铅酸蓄电池NiCd充电电池充电电池37Ni/MHNi/MH镍氢二次电池镍氢二次电池 Ni/MHNi/MH电池的正极材料采用电池的正极材料采用Ni(OH)Ni(OH)2 2，负极材料为储，负极材料为储氢合金，电解质为氢合金，电解质为KOHKOH水溶液。水溶液。 与与Ni/CdNi/Cd电池相比，电池相比，Ni/MHNi/MH电池具有以下优点电池具有以下优点：能量密度
25、是能量密度是Ni/CdNi/Cd电池的电池的1.5-21.5-2倍；倍；充放电速率高；充放电速率高；耐过充和过放性能好；耐过充和过放性能好；使用寿命长；使用寿命长；低温性能好；低温性能好；无无CdCd元素对环境的污染。元素对环境的污染。 Ni/MH二次电池二次电池38 Ni/MHNi/MH电池开发重点是电池开发重点是大功率、高容量方向大功率、高容量方向。国际上。国际上主要汽车公司如主要汽车公司如GMGM、FordFord和和ToyotaToyota等相继开发出等相继开发出Ni/MHNi/MH电动汽车和混合电动汽车，电动汽车和混合电动汽车， GMGM公司生产的公司生产的Ni/MHNi/MH电池动
26、力车，单次充电后可行驶电池动力车，单次充电后可行驶225km225km，时速为，时速为150150公里。公里。GM生产的生产的EVI汽车，用汽车，用26个个12V的电的电池，池，3小时充电后时速可达到小时充电后时速可达到150公里公里39LIBLIB锂离子二次电池锂离子二次电池 LiLi是最轻的金属元素是最轻的金属元素，它的标准电极电位是，它的标准电极电位是-3.045V-3.045V，是是金属中负电位最大的元素金属中负电位最大的元素，因此，因此LiLi负极电池的开发负极电池的开发受到极大重视，与受到极大重视，与Ni/MHNi/MH电池性能的比较如下。电池性能的比较如下。普通普通Ni/MH，L
27、IB及及Ni/Cd电池性能比较电池性能比较技术参数技术参数Ni/CdNi/MHLIB工作电压工作电压/V1.21.23.7质量比能量质量比能量/(Wh/kg)30-5050-70100-150体积比能量体积比能量/(Wh/L)150200270冲放电寿命冲放电寿命/次次500500100040 LIBLIB电池具有工作电压高、比能量高、容量大、循环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，而且特性好、重量轻、体积小等优点，而且LIBLIB无记忆效无记忆效应应，不需将电放尽后再充电；，不需将电放尽后再充电；LIBLIB自放电小，每月在自放电小，每月在1010以下，以下，Ni/MHNi/MH电池自放电一般为电池自放电一般为3030-40-40。 仅仅20002000年，日本就销售了年，日本就销售了4 4亿多只亿多只LiLi电池。电池。移动电话移动电话Li电池电池数码相机数码相机Li电池电池笔记本笔记本Li电池电池42谢谢
