1、第八讲第八讲 新能源材料新能源材料 New Energy Materials 1 主要内容主要内容?新能源材料新能源材料?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?太阳能电池材料太阳能电池材料?核能材料核能材料 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，而且矿，而且矿物能源不可再生物能源不可再生，能源枯竭
2、能源枯竭已成为共识。已成为共识。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 3?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；4?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仅够开采储量仅够开采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
3、煤炭还可用还可用300300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。5?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
4、到了中国风力发电量达到了25.825.8亿瓦亿瓦，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%。6?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
5、境最小负担技术环境最小负担技术。?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。7 新能源材料新能源材料 8?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 太阳能太阳能 核能核能 风
6、能风能?地热地热?海洋能海洋能?氢能氢能 潮汐能潮汐能 地热地热 氢能氢能 9?20092009年，世界第八大石油公年，世界第八大石油公司巴西石油公司旗下的生物司巴西石油公司旗下的生物能源公司代表来到成都，与能源公司代表来到成都，与四川大学生命科学学院洽谈四川大学生命科学学院洽谈，希望能将，希望能将四川的麻风树四川的麻风树引引进到巴西种植。进到巴西种植。?麻风树是世界上公认的生物麻风树是世界上公认的生物能源树，能源树，其果实可全部用来其果实可全部用来炼取生物柴油炼取生物柴油，而且在，而且在“碳碳汇交易汇交易”市场上具有巨大潜市场上具有巨大潜力，力，麻风树种植麻风树种植 麻风树果实麻风树果实-小
7、桐子小桐子 10?20112011年年1111月，从月，从小桐子中提炼出的生物航空燃料小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于应用于波音波音747747客机在首都机场首次验证试飞成功。客机在首都机场首次验证试飞成功。?本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公司合作完成，司合作完成，我校陈放教授我校陈放教授应邀参加。应邀参加。?试飞成功标志着试飞成功标志着我国已具备研发生产航空生物燃料的技我国已具备研发生产航空生物燃料的技术能力术能力，这对于促进生物燃料应用，应对气候变化、解，这对于促进生物燃料应用，应对气候变化、解决能源问题具有重要意义。决能源
8、问题具有重要意义。11?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 以及以及发展新能源技术所需的关键材料发展新能源技术所需的关键材料，主要包括：，主要包括：?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?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?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?-12 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
9、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。太阳能热水器太阳能热水器 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 13 新能源的应用新能源的应用 14 储氢材料储氢材料 15?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
10、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。16?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1501
11、50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、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 17 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
12、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 5-10-10(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C C60 60 碳纳迷管碳纳迷管 18 无机化合物储氢无机化合物储氢?某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后在一定条件下分解可放氢。在一定条
13、件下分解可放氢。?利用利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化，吸氢和放氢，吸氢和放氢反应为：反应为：?HCO3?H2吸氢，35，2.0MPa 释氢，70，0.1MPa?HCO2?H2O?以活性炭作载体，在以活性炭作载体，在 PdPd或或PdOPdO的催化作用下，以的催化作用下，以KHCOKHCO3 3或或NaHCONaHCO3 3作为储氢剂，储氢量约为作为储氢剂，储氢量约为 2 2(质量分质量分数数)。?该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储氢量比较小，催化剂价格较贵。氢量比较小，催化剂价格较贵。19 有机液体氢化物储氢有
14、机液体氢化物储氢?借助储氢载体借助储氢载体(如苯和甲苯等如苯和甲苯等)与与H H2 2的可逆反应来实现，的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。包括催化加氢反应和催化脱氢反应。C6H5R催化加氢 H2，制氢工厂 储存、运输 储存、运输 其中R=H、CH4 催化脱氢 C6H11RC6H11RH2，供用户使用 C6H5R?该法储氢量大，该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为为7.197.19和和6.186.18(质量分数质量分数)，比高压储氢和金属氢化，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。物储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，储
15、氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和运输都很安全方便。其储存和运输都很安全方便。?催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比较复杂。较复杂。20 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、
16、LaNiLaNi5 5H H、MmNiMmNi4.54.5H H6.66.6等。等。a a b b Hydrogen on Tetrahedral SitesHydrogen on Octahedral Sites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)(a)四面体；四面体；(b)(b)八面八面体体21?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表现为且合金中存储的氢表现为 H H与与H H+之间的中间特性，结之间的中间特性，结合力较弱，当金属氢化物受热时又可释放氢气。合力较弱，当金属氢化物
17、受热时又可释放氢气。Hydrogen storage capacity(wt%)012345 LaNi5H61.4wt%per weight TiFeH1.91.8wt%Mg2NiH43.6wt%Carbon nanotube(RT,10MPa 氢压)012344.2wt%5Hydrogen storage capacity(wt%)储氢合金的储氢量比较储氢合金的储氢量比较 22?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
18、压适中：?容易活化容易活化；?化学稳定性好化学稳定性好；四川大学材料学院储氢材料四川大学材料学院储氢材料课题组首创低成本课题组首创低成本V-Ti-Cr-V-Ti-Cr-FeFe四元合金体系：四元合金体系：在温和在温和条件下可快速吸氢饱条件下可快速吸氢饱和和:40:40，6min 6min?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。23?储氢合金材料主要有：储氢合金材料主要有：稀土系列、镁镍系列、钛稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等合金系列等。?大多数金属氢化物储氢量在大多数金属氢化物储氢量在 1 1-4-4(质量分数质量分数)、能量密度高，所需费用明显低于
19、深冷液化储气和能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和高压储氢，原料易得，安全可靠高压储氢，原料易得，安全可靠。储氢合金已成。储氢合金已成为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。我国生产的稀土储氢合金我国生产的稀土储氢合金 24 稀土系储氢合金稀土系储氢合金?LaNiLaNi5 5是稀土系储氢合金的典型代表是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰，由荷兰 PhilipPhilip实验室于实验室于19691969年首先研制。年首先研制。?LaNiLaNi5 5在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物，如下式所示：，如
20、下式所示：LaNi5?3H2?LaNi5H6?LaNiLaNi5 5具有优良的储氢性能，块状具有优良的储氢性能，块状 LaNiLaNi5 5合金储氢量约合金储氢量约1.41.4(质量分数质量分数)，分解压适中平坦，活化容易，具，分解压适中平坦，活化容易，具有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。25?LaNiLaNi5 5成本高，大规模应用受限，因此发展成本高，大规模应用受限，因此发展 置换置换LaLa和和NiNi的的多元合金：多元合金：LaNiLaNi5-x5-xM Mx x(M(MAlAl、MnMn、CrCr、FeFe、CoCo、CuCu等等)和和R R
21、0.20.2LaLa0.80.8NiNi5 5(R(RY Y、GdGd、NdNd、ThTh等等)。?用用富富CeCe混合稀土混合稀土(Mm)(Mm)代替代替LaLa可研制廉价的可研制廉价的 MmNiMmNi5 5储氢储氢合合 金金，在在 MmNiMmNi5 5基基 础础 上上开开 发发 多多 元元 合合金金，如如MmNiMmNi1-1-y yB By y(B=Al(B=Al、CuCu、FeFe、MnMn、GaGa、SnSn、CrCr等等)系列，系列，不仅不仅保持保持LaNiLaNi5 5的优良特性，而且在储氢量和动力学特性的优良特性，而且在储氢量和动力学特性方面优于方面优于LaNiLaNi5
22、5，价格仅为纯，价格仅为纯LaLa的的1/51/5。26 20092009年，西博会上展出的川大宝生实年，西博会上展出的川大宝生实业公司生产的稀土储氢合金电池业公司生产的稀土储氢合金电池 27 钛系储氢合金钛系储氢合金?TiFeTiFe具有优良储氢特性具有优良储氢特性，吸氢量约，吸氢量约1.751.75(质量分数质量分数)，室温下释氢压力约为，室温下释氢压力约为 0.1MPa0.1MPa。价格较低，具有很大。价格较低，具有很大实用价值。实用价值。?TiFeTiFe活化困难，须在活化困难，须在 450450和和5MPa5MPa压力下进行活化；压力下进行活化；抗毒性弱抗毒性弱(特别是特别是O O2
23、 2)，反复吸释氢后性能下降。，反复吸释氢后性能下降。?为改善为改善TiFeTiFe合金储氢特性，可用过渡元素合金储氢特性，可用过渡元素(M)(M)置换部置换部分分铁铁形形成成TiFeTiFe1-y1-yM My y(M=Cr(M=Cr、MnMn、MoMo、CoCo、NiNi等等)。TiFeTiFe0.80.8MnMn0.20.2可可 在在 室室 温温 3MPa3MPa 氢氢 压压 下下 活活 化化，生生 成成TiFeTiFe0.80.8MnMn0.20.2H H1.051.05氢化物，储氢量达到氢化物，储氢量达到 1.9wt1.9wt。28 镁系储氢合金镁系储氢合金?在在300-300-40
24、0400和较高氢压下，和较高氢压下，MgMg2 2NiNi与氢生成与氢生成MgMg2 2NiHNiH4 4，含氢量为，含氢量为3.65wt3.65wt，理论储氢量可达，理论储氢量可达 6%6%，但其稳定性强，释氢困难。，但其稳定性强，释氢困难。?用用CaCa和和A1A1取代部分取代部分MgMg形成形成MgMg2-x2-xM Mx xNiNi，氢比物离解速，氢比物离解速度比度比MgMg2 2NiNi增大增大4040以上，活化容易，具有良好的以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性质稳定。储氢性能，性质稳定。?利用过渡元素利用过渡元素(M)(M)置换置换MgMg2 2NiNi中的部分中的部分NiNi
25、，形成形成MgMg2 2NiNi1-x1-xM Mx x合金合金(M(MV V、CrCr、MnMn、FeFe、ZnZn等等)，也可，也可改善吸改善吸/释氢的速度，具有实用价值。释氢的速度，具有实用价值。29 储氢合金的应用储氢合金的应用?氢储存是储氢合金最基本的应用。氢储存是储氢合金最基本的应用。?金属氢化物储氢密度高，采用金属氢化物储氢密度高，采用 MgMg2 2NiNi制成的储氢容器制成的储氢容器与高压与高压(20MPa)(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比，钢瓶和深冷液化储氢装置相比，?在储氢量相等的情况下，三者质量比为在储氢量相等的情况下，三者质量比为1 1：1.41.4：1.21
26、.2，体积比为，体积比为1 1：4 4：1.31.3；?储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；?氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠，便于氢的运输和传递。，便于氢的运输和传递。30 储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较 31?储氢合金可分离氢气。储氢合金可分离氢气。混合气体混合气体流过储氢合金分离床，氢被吸收流过储氢合金分离床，氢被吸收形成金属氢化物，杂质排出；加形成金属氢化物，杂质排出；加热金属氢化物，得到回收氢气。热金属氢化物，得到回收氢气。反复提纯可获
27、得高纯氢气，反复提纯可获得高纯氢气，?每年大量含氢尾气放空每年大量含氢尾气放空(仅合成仅合成氨工业全国每年放空尾气数十亿氨工业全国每年放空尾气数十亿m m3 3，含有，含有 5050-60%-60%的氢气的氢气)，回，回收利用可提供大量廉价氢气，得收利用可提供大量廉价氢气，得到巨大的能源补充。到巨大的能源补充。氢气纯化工厂氢气纯化工厂 氢气纯化装置氢气纯化装置 32?某些储氢合金的氢化物同氘、某些储氢合金的氢化物同氘、氚化物相比，同一温度下吸释氚化物相比，同一温度下吸释氘氚的热力学和动力学特性有氘氚的热力学和动力学特性有较大差别，可用于较大差别，可用于 氢同位素的氢同位素的分离。分离。?TiN
28、iTiNi合金吸收合金吸收 D D2 2的速率为的速率为 H H2 2的的1/101/10，将将 含含7%D7%D2 2的的 H H2 2导导 入入到到TiNiTiNi合金中，每通过一次可使合金中，每通过一次可使D D2 2浓缩浓缩 50%50%，通过多次压缩和，通过多次压缩和吸收，氘的浓度可迅速提高，吸收，氘的浓度可迅速提高，同时回收大量高纯同时回收大量高纯H H2 2。氢同位素的应用氢同位素的应用 33?金属氢化物也是理想的能量转换材料。金属氢化物也是理想的能量转换材料。?氢化物热泵氢化物热泵：以氢气为工作介质，储氢合金为能量：以氢气为工作介质，储氢合金为能量转换材料，相同温度下分解压不同
29、的两种氢化物组转换材料，相同温度下分解压不同的两种氢化物组成热力学循环系统，以它们的平衡压差驱动氢气流成热力学循环系统，以它们的平衡压差驱动氢气流动，使两种氢化物分别处于动，使两种氢化物分别处于 吸氢吸氢(放热放热)和和放氢放氢(吸热吸热)状态，达到升温、增热或制冷目的。状态，达到升温、增热或制冷目的。?德国用德国用LaNiLaNi5 5/Ti/Ti0.90.9ZrZr0.10.1CrMnCrMn合金获得合金获得-25-25低温；低温；?日本用日本用MmNiMnAl/MmNiMnCoMmNiMnAl/MmNiMnCo 制备制冷系统，连续获得制备制冷系统，连续获得-20-20低温，制冷功率为低温
30、，制冷功率为 900-1000W900-1000W。34?储氢合金电极替代储氢合金电极替代 NiCdNiCd电池中的电池中的CdCd负极，组成镍负极，组成镍-氢氢化物电池，化物电池，不但具有高能量密度，而且耐过充，放不但具有高能量密度，而且耐过充，放电能力强，无重金属电能力强，无重金属 CdCd对人体和环境的危害。对人体和环境的危害。储氢合金在镍氢电池上的应用储氢合金在镍氢电池上的应用 35 新型二次电池材料新型二次电池材料 36?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
31、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 LiLi离子充电电池离子充电电池 37?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电池镍氢电池(表示为表示为Ni/MHNi/MH电池电池)和锂和
32、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 NiCdNiCd充电电池充电电池 38 Ni/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：?能量密度是能量密度是Ni/CdNi/Cd电池的电池的1.5-21.5
33、-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/MHNi/MH二次电池二次电池 39?Ni/MHNi/MH电池在充放电中产生如下电极反应，工作原电池在充放电中产生如下电极反应，工作原理如图所示：理如图所示：Ni(OH)2?OH?正极：正极：-充 放 充 NiOOH?H2O?e?负极：负极：M?H2O?e?电池反应：电池反应：Ni(OH)2?M放 充 放 MH?OH?NiOOH?MHNi/MHNi/MH电池工作原理电池工作原理 40?Ni/MHNi/MH
34、电池的正极材料是电池的正极材料是 Ni(OH)Ni(OH)2 2，电池负极材料主电池负极材料主要是储氢合金要是储氢合金，其种类如表所示。，其种类如表所示。典型的典型的Ni/MHNi/MH负极材料及特征负极材料及特征 合金合金 类型类型 AB5 AB2 AB A2B 吸氢质吸氢质量量/%1.3 1.8 2.0 3.6 3.8 电化学容电化学容/(mAh/g)理论值理论值 348 482 536 965 1018 实际值实际值 330 420 350 500 500 41 典型氢化物典型氢化物 LaNi5H6 ZrMn2H3 TiFeH2 Mg2NiH4 合金组成合金组成 MmNi3.5-4(Mn
35、Al)0.3-0.8Co0.2-1.3 Zr1-xTixNia(MnV)b(CoFeCr)c ZrNi1.4,TiNi Mg2Ni V4-x(NbTaTiCo)xNi0.5 固溶体固溶体 V0.8Ti0.2H0.8?电电解解质需质需 要要有高有高 的的离子离子 传传导能导能 力力，目目前前使用的使用的Ni/MHNi/MH电池的电解质是电池的电解质是KOHKOH水溶液水溶液。?KOHKOH水溶液具有强腐蚀性，液体电解质给电池加制作水溶液具有强腐蚀性，液体电解质给电池加制作带来不便。带来不便。?用高导电性能的固体或凝胶电解质替代用高导电性能的固体或凝胶电解质替代 KOHKOH是是Ni/MHNi/M
36、H电池的一个发展趋势电池的一个发展趋势。?研究表明，采用高吸水和高亲水能力的聚合物凝胶研究表明，采用高吸水和高亲水能力的聚合物凝胶作为电解质，电池的电化学性能与普通作为电解质，电池的电化学性能与普通KOHKOH电解质电解质电池相近。电池相近。42?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电池动力车，单次充电后可行
37、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。GMGM生产的生产的EVIEVI汽车，用汽车，用2626个个12V12V的电池的电池，3 3小时充电后时速可达到小时充电后时速可达到150150公里公里 43?日本日本ToyotaToyota公司开发出世界上第一个商品化的混合动力公司开发出世界上第一个商品化的混合动力车，该车采用车，该车采用240240只高功率的只高功率的Ni/MHNi/MH电池串联电池组提供电池串联电池组提供动力，总电压动力，总电压288V288V，容量为，容量为6.5Ah6.5Ah。丰田公司生产的丰田公司生产的RAV4-EVIRAV4
38、-EVI汽车，充电一次可行驶汽车，充电一次可行驶215215公里公里 44?20102010年，我国电动汽车已从研发阶段进入产业化阶年，我国电动汽车已从研发阶段进入产业化阶段，成为全球电动汽车产业和市场开拓中一支不可段，成为全球电动汽车产业和市场开拓中一支不可忽视的力量。忽视的力量。?未来五至十年，未来五至十年，混合动力汽车混合动力汽车将成为传统汽车节能将成为传统汽车节能技术改造、升级换代的主要方向，纯电动汽车将成技术改造、升级换代的主要方向，纯电动汽车将成为近期发展战略的主流，为近期发展战略的主流，一汽丰田的普锐斯混合动力汽车一汽丰田的普锐斯混合动力汽车 上海通用的雪佛兰混合动力汽车上海通用
39、的雪佛兰混合动力汽车 45?我国已建立了具有自主知识产权、适用于中国公共我国已建立了具有自主知识产权、适用于中国公共交通和私人汽车市场特色的混合动力、纯电动、燃交通和私人汽车市场特色的混合动力、纯电动、燃料电池动力系统技术平台，料电池动力系统技术平台，掌握了整车集成技术。掌握了整车集成技术。?在电机、电池和控制系统方面，在电机、电池和控制系统方面，车用镍氢和锂离子车用镍氢和锂离子电池、车用燃料电池等电池、车用燃料电池等 对电动汽车性能有决定性影对电动汽车性能有决定性影响的零部件领域，我国也取得重要进展。响的零部件领域，我国也取得重要进展。20102010年年5 5月，成都月，成都4 4辆电动辆
40、电动公交车上路，分别运行公交车上路，分别运行1616路和路和2828路，充电后空载可路，充电后空载可行驶行驶270270多公里多公里 46 LIBLIB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/MHNi/MH，LIBLIB及及Ni/CdNi/Cd电池性能比较电池性能比较 技术参数技术参数 工作电压工
41、作电压/V 质量比能量质量比能量/(Wh/kg)体积比能量体积比能量/(Wh/L)冲放电寿命冲放电寿命/次次 Ni/Cd 1.2 30-50 150 500 Ni/MH 1.2 50-70 200 500 LIB 3.7 100-150 270 1000 47?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
42、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LiLi电池电池 数码相机数码相机LiLi电池电池 笔记本笔记本LiLi电池电池 48?LIBLIB电池是一种电池是一种LiLi离子浓度差电池离子浓度差电池，充放电中，充放电中，LiLi离离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。?充电时，充电时，LiLi离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入负极嵌入负极，使负极处于富，使负极处于富 LiLi离子态，正极处于贫离子态，正极处于贫 LiL
43、i态；态；放电时，放电时，LiLi离子从负极脱嵌进入正极离子从负极脱嵌进入正极。锂离子二次电池工作示意图锂离子二次电池工作示意图 49?LIBLIB负极材料负极材料 LIBLIB负极材料的演变过程负极材料的演变过程 负极材料负极材料 容量容量/(mAh/g)年代年代 金属锂金属锂 3400 1965 锂合金锂合金 790 1971 碳材料碳材料 372 1990 氧化物氧化物 700 1995 纳米合金纳米合金 2000 1998?金属金属LiLi容量最高，但在容量最高，但在 LIBLIB电池的长期充放电中，电池的长期充放电中，LiLi与有机电解质发生反应，发生与有机电解质发生反应，发生 枝晶
44、生长枝晶生长，并形成，并形成树枝状沉积物树枝状沉积物，导致电池内部短路。，导致电池内部短路。50?LIBLIB电池以电池以炭材料替代炭材料替代 LiLi负极、高电位的负极、高电位的 LiCoOLiCoO2 2作作正极的二次电池后正极的二次电池后，循环性能和安全性能得到大，循环性能和安全性能得到大幅度提高，其电池反应为：幅度提高，其电池反应为：?正极：正极：LiCoO2?充 放 CoO2?Li?e充 放 充?负极：负极：?电池：电池：6 C?Li?eLiC6CoO2?LiC6LiCoO2?6C放 不同形状的不同形状的LiLi离子电池离子电池 51?纳米碳材料具有传统碳材料无法纳米碳材料具有传统碳
45、材料无法比拟的高比容量比拟的高比容量。?纳米碳管由于特殊的管状结构，纳米碳管由于特殊的管状结构，LiLi离子不仅可嵌入管内，还可嵌离子不仅可嵌入管内，还可嵌入管壁缝隙，具有嵌入深度小、入管壁缝隙，具有嵌入深度小、过程短、嵌入位置多等优点，可过程短、嵌入位置多等优点，可提高提高LiLi离子电池的充放电容量离子电池的充放电容量。纳米碳管的显微形貌纳米碳管的显微形貌?用纳米碳管作负极，电池理论容用纳米碳管作负极，电池理论容量超过石墨嵌量超过石墨嵌 LiLi化合物理论容量化合物理论容量一倍以上。一倍以上。纳米碳管的显微结构纳米碳管的显微结构 52?LIBLIB电池的电池的LiLi离子源由正极材料提供。
46、离子源由正极材料提供。LiCoOLiCoO2 2是最早是最早商品化的正极材料。由于商品化的正极材料。由于 CoCo资源少资源少(地球已探明地球已探明 CoCo储量为储量为10001000万吨，而万吨，而MnMn量是量是CoCo的的500500倍倍)，人们开发，人们开发了了LiNiOLiNiO2 2、LiMnLiMn2 2O O4 4材料。材料。LIBLIB正极材料的性能正极材料的性能 正极正极 材料材料 LiCoO2 LiNiO2 LiMn2O4 理论比容量理论比容量实际比容量实际比容量(mAh/g)(mAh/g)275 274 148 130-140 170-180 100-120 密度密度
47、(g/cm3)5.00 4.78 4.28 特点特点 性能稳定，放电电压性能稳定，放电电压稳定，价格高稳定，价格高 热稳定性差热稳定性差 安全性高，高温循环安全性高，高温循环和存放性差，价格低和存放性差，价格低 53?锂电池隔膜锂电池隔膜(以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃隔膜以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃隔膜)是锂电池产业发展的关键材料。是锂电池产业发展的关键材料。?我校我校与与深圳星源材质公司深圳星源材质公司合作开展锂离子电池隔膜合作开展锂离子电池隔膜研制，取得重大突破。研制，取得重大突破。?我校提供我校提供锂电池隔膜制造工艺、装备设计及配方等关键技锂电池隔膜制造工艺、装备设计及配方等关键技术术，
48、形成具有核心竞争能力的专有技术和工艺，产品技术，形成具有核心竞争能力的专有技术和工艺，产品技术指标可媲美进口产品，填补国内空白，打破国外垄断。指标可媲美进口产品，填补国内空白，打破国外垄断。54 燃料电池材料燃料电池材料 55 THANK YOU SUCCESS 2019/9/17?燃料电池是直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能燃料电池是直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效且与环境友好地转化为电能的材料高效且与环境友好地转化为电能的材料。它是继水。它是继水力、热能和核能发电后的力、热能和核能发电后的 第四种发电技术第四种发电技术。?燃料电池与二次电池不同的是燃料电池与二次电池不同的是 不在内部
49、储存能量，不在内部储存能量，利用输入燃料与氧的氧化还原反应输出电能利用输入燃料与氧的氧化还原反应输出电能。甲醇燃料电池（甲醇燃料电池（DMFCDMFC）57?许多国家投入大量人力和财力进行燃料电许多国家投入大量人力和财力进行燃料电池研究，相继开发：池研究，相继开发：?碱性氢氧燃料电池碱性氢氧燃料电池AFC AFC?磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池PAFC PAFC?熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池MCFC MCFC?固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池SOFC SOFC?质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池PEMFC PEMFC?甲醇燃料电池甲醇燃料电池DMFC DMFC 磷酸燃料电池磷酸燃料
50、电池 碱性氢氧燃料电池碱性氢氧燃料电池 质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池58 燃料电池应用燃料电池应用 59 碱性氢氧燃料电池碱性氢氧燃料电池AFC AFC?19521952年，培根研制出具有碱性年，培根研制出具有碱性氢氧燃料电池氢氧燃料电池(AFC)(AFC)，标志着，标志着燃料电池进入实用化时代。燃料电池进入实用化时代。?培根电池的电极材料为培根电池的电极材料为 NiNi，电，电解质为浓度解质为浓度 3030的的KOHKOH溶液，溶液，氢为燃料，氧为氧化剂。氢为燃料，氧为氧化剂。?工作电压为工作电压为 30V3
