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1、新能源及其新材料,主要内容新能源材料 储氢材料新型二次电池材料 燃料电池材料太阳能电池材料核能材料,什么是能源？,能源是指一切能量集中的含能体(如煤炭石油)和能量过程(如风和潮汐)，能到达地球表面的，都叫做地球上的能源。,能源分类,能源的分类,能源按被利用的程度分,常规能源 如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；新能源 如太阳能、氢能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。,按获得的方法分,一次能源 即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等；二次能源 即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，易于利用，是高品质的能源。,按能否再生分,
2、可再生能源 即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如水能、风能、潮汐能、太阳能等；非再生能源 它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。,按对环境的污染分,清洁能源 即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；非清洁能源 即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。,生态环境严重破坏：,1952年12月，伦敦烟雾；酸雨；河流干涸；,因二氧化硫排放每年经济损失1126亿元(世界银行统计超过5000亿元),污 染 现 状,能源结构发生变化,世界能源消费结构的特点,半个世纪来，世界煤炭消费比例一直呈下降的趋势，70年代起石油已在世界能源消费中占第一位。水能和核能的利用，主
3、要表现在水电及核电的比例上。电能是现代化所必须的高级二次能源。,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% 。,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
4、石油开采平台,严重的生态破坏,矿物能源面临枯竭。（1992世界能源大会）,1994年,3.矿物能源面临枯竭 世界化石燃料探明可采储量,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。,科学工作者提出了资源与能源最充分利用技术(Maximum Energy and
5、 Resources Utilization-MERU技术)环境最小负荷技术(Minimum Environmental Impact-MEI技术),新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。,新能源材料就是用于新能源生产、转换和应用所需的材料。发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。,新能源材料,新能源包括太阳能生物质能核能风能地热海洋能氢能,太阳能,氢能,风能,潮汐能,地热,核能,2009年，世界第八大石油公司巴西石油公司旗下的生物能源公司代表来到成都，与四川大学生命科学学院洽谈，希望能将四川的麻风树引进到巴西种植。 麻风树是世界上公认的生物能源树，其果实可全部用来炼取生物柴油，而且在“
6、碳汇交易”市场上具有巨大潜力，,麻风树种植,麻风树果实-小桐子,2011年11月，从小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于波音747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司合作完成，我校陈放教授应邀参加。试飞成功标志着我国已具备研发生产航空生物燃料的技术能力，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。,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：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-,
7、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。,内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站,太阳能热水器,新能源的应用,21 材料的作用,（4）材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本。例如，太阳电池所用的材料决定着光电转换效率，燃料电池及蓄电池的电极材料及电解质的质量决定着电池的性能与寿命，而这些材料的制备工艺与设备又决定着能源的成本。因此，这些因素是决定该种新能源能否得到大规模应用的关键。,22 新能源材料的任务及面临的课题,为了发挥材料的作用，新能源材料面临着艰巨的任务。作为材料科学与工程的重要
8、组成部分，新能源材料的主要研究内容同样也是材料的组成与结构、制备与加工工艺、材料的性质、材料的使用效能以及它们四者的关系。结合新能源材料的特点，新能源材料研究开发的重点有以下几方面。,22 新能源材料的任务及面临的课题,1）研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率。例如，研究不同的电解质与催化剂以提高燃料电池的转换效率，研究不同的半导体材料及各种结构（包括异质结、量子阱）以提高太阳电池的效率、寿命与耐辐照性能等。,22 新能源材料的任务及面临的课题,2）资源的合理利用 新能源的大量应用必然涉及到新材料所需原料的资源问题。例如，太阳电池若能部分地取代常规发电，所需的半导体材料要在
9、百万吨以上，对一些元素而言（如镓、铟等）是无法满足的。因此一方面尽量利用丰度高的元素，如硅等；另一方面实现薄膜化以减少材料的用量。又例如，燃料电池要使用铂作触媒，其取代或节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源发展到一定规模时，还必须考虑废料中有价元素的回收工艺与循环使用。,22 新能源材料的任务及面临的课题,3）安全与环境保护 这是新能源能否大规模应用的关键。例如，锂电池具有优良的性能，但由于锂二次电池在应用中出现过因短路造成的烧伤事件，以及金属锂因性质活泼而易于着火燃烧，因而影响了应用。为此，研究出用碳素体等作负极载体的锂离子电池，使上述问题得以避免，现已成为发展速度最快的二次电池。另外有
10、些新能源材料在生产过程中也会产生三废而对环境造成污染；还有服务期满后的废弃物，如核能废弃物，会对环境造成污染。这些都是新能源材料科学与工程必须解决的问题。,22 新能源材料的任务及面临的课题,4）材料规模生产的制作与加工工艺 在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构的优化是研究的重点；而材料的制作和加工常使用现成的工艺与设备；到了工程化的阶段，材料的制作和加工工艺与设备就成为关键的因素。在许多情况下，需要开发针对新能源材料的专用工艺与设备以满足材料产业化的要求。这些情况包括：大的处理量；高的成品率；高的劳动生产率；材料及部件的质量参数的一致性、可靠性；环保及劳动防护；低成本。,22 新能源材料的
11、任务及面临的课题,例如：在金属氢化物镍电池生产中开发多孔态镍材的制作技术；开发锂离子电池的电极膜片制作技术等。在太阳电池方面，为了进一步降低成本，美国能源部拨专款建立称之为“光伏生产工艺”（Photovoltaic Manufacturing Technology）的项目，力求通过完善大规模生产工艺与设备使太阳电池发电成本能与常规发电相比拟。,22 新能源材料的任务及面临的课题,5）延长材料的使用寿命 现代的发电技术、内燃机技术是众多科学家与工程师在几十年到上百年间的研究开发成果。用新能源及其装置对这些技术进行取代所遇到的最大问题是成本有无竞争性。从材料的角度考虑，要降低成本，一方面要靠从上述
12、各研究开发要点方面进行努力；另一方面还要靠延长材料的使用寿命。这方面的潜力是很大的。这要从解决材料性能退化的原理着手，采取相应措施，包括选择材料的合理组成或结构、材料的表面改性等；并要选择合理的使用条件，如降低燃料中的有害杂质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一个明显的例子。,储氢材料,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1.4105kJ，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
13、界特别关注的科技领域。,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,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
14、一代储氢材料。,富勒烯C60,碳纳迷管,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，然后在一定条件下分解可放氢。利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化，吸氢和放氢反应为：以活性炭作载体，在Pd或PdO的催化作用下，以KHCO3或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为2(质量分数)。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。,有机液体氢化物储氢,借助储氢载体(如苯和甲苯等)与H2的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为7.19和6.18(质量分数)，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯
15、可循环使用，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，储氢操作比较复杂。,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。,氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；(b)八面体,a,b,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表现为H与H+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。,储氢合金的储氢量比较,储氢合金材料达到实用目的，必
16、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。,四川大学材料学院储氢材料课题组首创低成本V-Ti-Cr-Fe四元合金体系：在温和条件下可快速吸氢饱和:40，6min,储氢合金材料主要有：稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等。大多数金属氢化物储氢量在1-4(质量分数)、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。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。,我国生产的稀土储氢合金,稀土系储氢合金,LaNi5是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰Philip实验室
17、于1969年首先研制。LaNi5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：LaNi5具有优良的储氢性能，块状LaNi5合金储氢量约1.4(质量分数)，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。,LaNi5成本高，大规模应用受限，因此发展置换La和Ni的多元合金：LaNi5-xMx(MAl、Mn、Cr、Fe、Co、Cu等)和R0.2La0.8Ni5(RY、Gd、Nd、Th等)。用富Ce混合稀土(Mm)代替La可研制廉价的MmNi5储氢合金，在MmNi5基础上开发多元合金，如MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等)系列，不仅保持LaN
18、i5的优良特性，而且在储氢量和动力学特性方面优于LaNi5，价格仅为纯La的1/5。,2009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,钛系储氢合金,TiFe具有优良储氢特性，吸氢量约1.75(质量分数)，室温下释氢压力约为0.1MPa。价格较低，具有很大实用价值。TiFe活化困难，须在450和5MPa压力下进行活化；抗毒性弱(特别是O2)，反复吸释氢后性能下降。为改善TiFe合金储氢特性，可用过渡元素(M)置换部分铁形成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等)。TiFe0.8Mn0.2可在室温3MPa氢压下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，储
19、氢量达到1.9wt。,镁系储氢合金,在300-400和较高氢压下，Mg2Ni与氢生成Mg2NiH4，含氢量为3.65wt，理论储氢量可达6%，但其稳定性强，释氢困难。用Ca和A1取代部分Mg形成Mg2-xMxNi，氢比物离解速度比Mg2Ni增大40以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性质稳定。利用过渡元素(M)置换Mg2Ni中的部分Ni，形成Mg2Ni1-xMx合金(MV、Cr、Mn、Fe、Zn等)，也可改善吸/释氢的速度，具有实用价值。,储氢合金的应用,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Mg2Ni制成的储氢容器与高压(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比，在储氢量相等
20、的情况下，三者质量比为1：1.4：1.2，体积比为1：4：1.3；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，便于氢的运输和传递。,储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较,储氢合金可分离氢气。混合气体流过储氢合金分离床，氢被吸收形成金属氢化物，杂质排出；加热金属氢化物，得到回收氢气。反复提纯可获得高纯氢气，每年大量含氢尾气放空(仅合成氨工业全国每年放空尾气数十亿m3，含有50-60%的氢气)，回收利用可提供大量廉价氢气，得到巨大的能源补充。,氢气纯化装置,氢气纯化工厂,某些储氢合金的氢化物同氘、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较大
21、差别，可用于氢同位素的分离。TiNi合金吸收D2的速率为H2的1/10，将含7%D2的H2导入到TiNi合金中，每通过一次可使D2浓缩50%，通过多次压缩和吸收，氘的浓度可迅速提高，同时回收大量高纯H2。,氢同位素的应用,金属氢化物也是理想的能量转换材料。氢化物热泵：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动，使两种氢化物分别处于吸氢(放热)和放氢(吸热)状态，达到升温、增热或制冷目的。德国用LaNi5/Ti0.9Zr0.1CrMn合金获得-25低温；日本用MmNiMnAl/MmNiMnCo制备制冷系统，连续获得-
22、20低温，制冷功率为900-1000W。,储氢合金电极替代NiCd电池中的Cd负极，组成镍-氢化物电池，不但具有高能量密度，而且耐过充，放电能力强，无重金属Cd对人体和环境的危害。,储氢合金在镍氢电池上的应用,新型二次电池材料,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,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/M
23、H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,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,Ni/MH电池在充放电中产生如下电极反应，工作原理如图所示：正极： 负极：电池反应：,Ni/MH电池工作原理,Ni/MH电池的正极材料是Ni(OH)2，电池负极材料主要是储氢合金
24、，其种类如表所示。,典型的Ni/MH负极材料及特征,电解质需要有高的离子传导能力，目前使用的Ni/MH电池的电解质是KOH水溶液。KOH水溶液具有强腐蚀性，液体电解质给电池加制作带来不便。用高导电性能的固体或凝胶电解质替代KOH是Ni/MH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作为电解质，电池的电化学性能与普通KOH电解质电池相近。,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
25、汽车，用26个12V的电池，3小时充电后时速可达到150公里,日本Toyota公司开发出世界上第一个商品化的混合动力车，该车采用240只高功率的Ni/MH电池串联电池组提供动力，总电压288V，容量为6.5Ah。,丰田公司生产的RAV4-EVI汽车，充电一次可行驶215公里,2010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忽视的力量。未来五至十年，混合动力汽车将成为传统汽车节能技术改造、升级换代的主要方向，纯电动汽车将成为近期发展战略的主流，,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,我国已建立了具有自主知识产权、适用于中国公共交通
26、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，掌握了整车集成技术。在电机、电池和控制系统方面，车用镍氢和锂离子电池、车用燃料电池等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。,2010年5月，成都4辆电动公交车上路，分别运行16路和28路，充电后空载可行驶270多公里,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,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
27、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,LIB电池是一种Li离子浓度差电池，充放电中，Li离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。充电时，Li离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入负极，使负极处于富Li离子态，正极处于贫Li态；放电时，Li离子从负极脱嵌进入正极。,锂离子二次电池工作示意图,LIB负极材料,LIB负极材料的演变过程,金属Li容量最高，但在LIB电池的长期充放电中， Li与有机电解质发生反应，发生枝晶生长，并形成树
28、枝状沉积物，导致电池内部短路。,LIB电池以炭材料替代Li负极、高电位的LiCoO2作正极的二次电池后，循环性能和安全性能得到大幅度提高，其电池反应为：正极：负极：电池：,不同形状的Li离子电池,纳米碳材料具有传统碳材料无法比拟的高比容量。纳米碳管由于特殊的管状结构，Li离子不仅可嵌入管内，还可嵌入管壁缝隙，具有嵌入深度小、过程短、嵌入位置多等优点，可提高Li离子电池的充放电容量。用纳米碳管作负极，电池理论容量超过石墨嵌Li化合物理论容量一倍以上。,纳米碳管的显微形貌,纳米碳管的显微结构,LIB电池的Li离子源由正极材料提供。LiCoO2是最早商品化的正极材料。由于Co资源少(地球已探明Co储
29、量为1000万吨，而Mn量是Co的500倍)，人们开发了LiNiO2、LiMn2O4材料。,LIB正极材料的性能,锂电池隔膜(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。我校与深圳星源材质公司合作开展锂离子电池隔膜研制，取得重大突破。我校提供锂电池隔膜制造工艺、装备设计及配方等关键技术，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。,燃料电池材料,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。它是继水力、热能和核能发电后的第四种发电技术。燃料电池与二次电池不同的是不在内部储存能量，利用输入燃料与
30、氧的氧化还原反应输出电能。,甲醇燃料电池（DMFC）,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：碱性氢氧燃料电池AFC磷酸型燃料电池PAFC熔融碳酸盐燃料电池MCFC固体氧化物燃料电池SOFC质子交换膜燃料电池PEMFC甲醇燃料电池DMFC,碱性氢氧燃料电池,磷酸燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池,固体氧化物燃料电池,质子交换膜燃料电池,燃料电池应用,碱性氢氧燃料电池AFC,1952年，培根研制出具有碱性氢氧燃料电池(AFC)，标志着燃料电池进入实用化时代。培根电池的电极材料为Ni，电解质为浓度30的KOH溶液，氢为燃料，氧为氧化剂。工作电压为30V，平均输出功率600W，工作寿命大于4
31、00h，成为Apllo登月飞船电源。,氢氧燃料电池构造示意图,航天用碱性燃料电池是石棉膜碱性燃料电池。电池用含32KOH水溶液的石棉体作电池隔膜，平均输出功率7kW，电压为30V，寿命达到2500h。哥伦比亚号、挑战者号等航天飞机使用石棉膜碱性燃料电池，累计飞行时间超过27000h。,哥伦比亚号,发现者号,挑战者号,为适应未来1000kW级、超长寿命的航天电源要求，碱性燃料电池改进后工作寿命延长到105h。AFC另一重要应用领域是作为潜艇动力电源，德国西门子公司已开发出100kW的AFC在潜艇上使用。,阿穆尔潜艇的燃料电池组,俄基洛级常规燃料电池潜艇,德阿穆尔燃料电池潜艇,磷酸型燃料电池PAF
32、C,磷酸型燃料电池(PAFC)是用天然气重整气为燃料，空气为氧化剂，以浸有浓H3PO4的SiC微孔膜作电解质，Pt/C为电催化剂，产生的直流电经过变换后供给用户使用的电池。,磷酸燃料电池,50-200kW的PAFC可供现场使用，作为医院、银行的不间断电源使用。1000kW以上的PAFC可供区域性电站使用。世界有大量PAFC电站，最长已运行数万小时，具有高度的可靠性。PAFC工作时启动时间较长，不适合作移动电源。,磷酸型燃料电池用做不间断电源,磷酸型燃料电池电站,熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以熔融碳酸盐为电解质，燃料是氢或天然气，氧化剂为氧气或空气与二氧化碳的混
33、合气体，电极反应为如下所示，阴极：阳极：总反应：,MCFC中导电离子是CO32-，在阴极CO2是反应物，在阳极CO2是产物。为使电池稳定连续工作，必须将阳极的CO2产物返回到阴极。,MCFC燃料电池工作原理,MCFC电池由阳极、阴极、隔膜和双极板组成。MCFC的工作温度为600-700，且维持一定压力，Ni阳极工作一段时间后会变形，MCFC采用向Ni中加入Cr、A1等合金元素，利用第二相弥散强化形成高温下不易变形的NiCr、NiAl合金。隔膜是MCFC的核心部件，要求强度高，耐高温熔盐腐蚀，浸入电解质后具有良好的离子导电性。MCFC隔膜使用LiAlO2，它在高温熔盐中具有很强的抗碳酸熔盐腐蚀的
34、能力。,MCFC电池工作温度为650，余热利用价值高，电池不使用贵金属催化剂，同时还具有发电效率高、噪音低、污染小、余热利用率高等优点，适用于中、小型分散电站的建立，是充分利用能源和减少环境污染的一种有效手段。国际上大多MCFC电站已经进入安装试运行阶段，一些兆瓦级电站的运行时间已经超过2万小时。,固体氧化物燃料电池(SOFC),固体氧化物燃料电池包括电解质材料、电极材料和连接材料。O2在具有催化活性的阴极上被还原成O2-，O2-在电池两侧氧浓度差的驱动下，通过电解质中的氧空位定向迁移到阳极上，与燃料进行氧化反应。,SOFC燃料电池工作原理,钇稳定ZrO2陶瓷(YSZ)是SOFC中应用最广的电
35、解质材料。阴极采用具有较高离子导电率的钙铁矿氧化物，Sr掺杂LaMnO3是目前最常用的阴极材料。阳极材料采用金属Ni，,管式SOFC燃料电池,SOFC燃料来源广泛，不需贵金属催化剂，电池不含腐蚀性介质，能量综合利用率达到70以上。SOFC电池被认为是最有效率的万能电池，可用于发电、交通、宇航等许多领域。,德西门子公司和美西屋公司在加州大学建立的SOFC电站,德西门子公司和美西屋公司在荷兰建立的SOFC电站,质子交换膜燃料电池(PEMFC),PEMFC是一种以全氟磺酸固体聚合物为电解质，以Pt/C或Pt-Ru/C为催化剂，以氢或净化重整气为燃料，以空气或纯氧为氧化剂，以带有气体流动通道的石墨或金
36、属板为双极板的新型燃料电池。构成PEMFC电池的材料有电催化剂、电极、质子交换膜、双极板材料。,PEMFC电池工作原理,电催化剂要求对特定电极反应有良好的催化活性，还要求耐腐蚀和良好导电性，一般选择Ni、Pt及其合金。,多孔Ni的微观形貌,PEMFC为提高电流密度，减少极化，需增加反应面积。可采用多孔扩散电极，形成传导气、水、电的三维反应界面，比表面积比平板电极提高3-5个数量级，大幅提高电极的极限电流密度。,PEMFC电池的多孔扩散电极构成,PEMFC具有能量转化率高、环境友好等优点，在室温下可快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长，特别适合作移动电源使用。在未来以氢为主要燃料的氢能时代，
37、 PEMFC将得到更广泛的应用。,PEMFC电池在电瓶车上的应用,挑战杯北航的无人驾驶验证机中应用PEMFC电池作为电源,直接甲醇燃料电池是PEMFC中的一类，直接使用水溶液以及蒸汽甲醇为燃料供给来源，不需通过重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。相较于PEMFC，DMFC燃料成分危险性低，电池结构简单，成为可携式电子产品应用的主流。,直接甲醇燃料电池(DMFC),Sharp研制的高功率DMFC电池，应用于移动设备,2012年，工信部将在沪、晋、陕三地开展甲醇汽车试点，燃料将以高比例M85(加入85%甲醇调配)和M100(纯甲醇燃料)两大类型为主。甲醇采取煤基生产路线，经济优势明显，出租车
38、使用M100燃料，油费可从0.8元/公里降到0.55元/公里；甲醇是清洁替代能源，一些煤制甲醇可回收70%的CO2排放，综合排放致癌物仅为汽柴油的20%。,太阳能电池材料,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3.81018kW，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,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,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
39、吨CO2,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：太阳光的光量子与材料相互作用产生电子空穴对，在势垒区静电场作用下，空穴和电子越过势垒，电子进入n区，空穴进入p区，被分离的电子和空穴由电极收集并输出，形成光生电流，实现光电转换。,光伏效应示意图,太阳能电池,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,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
40、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,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。,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，
41、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,提高晶体硅太阳电池性能的方法：吸杂：在多晶硅表面沉积磷或铝层，在表面产生大量缺陷区；高温下杂质在缺陷区富集，去掉该层后就可消除部分杂质，特别是重金属杂质，提高电池性能。钝化：采取在氢气中退火、等离子体处理等方式，用氢钝化硅的悬键等缺陷，提高电池性能。在多晶硅表面制备多孔硅：降低电池表面反射率，提高电池转换效率，达到13.4。,非晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池是以非晶硅为衬底的薄膜太阳电池，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,非晶硅带隙为
42、1.5-2.0eV，其光谱响应峰值与太阳光谱峰值的匹配比晶体硅更好，且开路电压大；非晶硅具有长程无序短程有序的共价无规则网络结构，这可有效吸收光子，在可见光波长范围内吸收系数比晶体硅高一个数量级； 无规则网络具有很强的散射作用，非晶硅中光子扩散长度很短，光生载流子会很快复合而不能收集，为此需要在电池内尽量布满电场。,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、CdS和CuInSe2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
43、，是较理想的空间太阳电池。,太空站上的GaAs太阳电池,高原用的GdTe太阳电池,CdTe太阳电池是以CdTe为吸收层、CdS为窗口层的半导体电池，开路电压1.05V，理论转换效率27；目前小面积CdTe电池转换效率已达16，大面积组件已达10.1。GaAs是III-V族化合物，带隙为1.42eV，接近太阳电池所需的最佳带隙，具有高的转换效率，单结GaAs太阳电池的理论转换效率可达26.2；GaAs太阳电池转换效率随温度变化下降不大，耐辐照性能好，适合做空间太阳电池。,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或PbxLa1-xTiO3(简称
44、PLT)膜、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,纳米太阳电池工作原理：TiO2带隙3.2eV，可见光不能将它激发，在TiO2表面吸附染料光敏化剂，通过染料分子与可见光相互作用，电子跃迁到TiO2导带并进入电极，最后通过外电路产生光电流。TiO2膜通常制成海绵状纳米多孔膜，以保证TiO2膜具有较大的比表面积，产生较高的光吸收效率。染料光敏化剂一般选用羧酸多吡啶钌、磷酸多吡啶钌、多核联吡啶钌等金属有机染料，化学稳定性高，激发态寿命长，发光性能好。,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
45、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。,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,核能材料,核能被公认是能大规模取代常规能源的替代能源。经过几十
46、年的利用和发展，世界上已有441座核电机组在运行，核电站装机容量已达到3.68亿kW。世界能源消费结构如下表所示，由此可知世界能源的消费结构也正向核能方向倾斜。,世界能源消耗结构预测,我国能源缺口在很大程度上依靠核能补充。煤和石油的燃烧造成严重环境污染，我国许多城市污染物浓度达到世界前列。在我国发展核电事业具有重要意义。,广东大亚湾核电站,浙江秦山核电站,裂变反应堆材料,铀235或钚239等重元素的原子核吸收一个中子后发生裂变，分裂成两个质量大致相同的新原子核，同时放出2-3个中子。这些新生中子又引起其它铀235或钚239原子核裂变，产生链式裂变反应。,核裂变示意图,裂变能十分巨大：铀235原
47、子每次裂变放出约200keV的能量，一个碳原子燃烧时放出的能量为4.1eV，铀的裂变能是碳燃烧释能的4.878万倍。实现裂变反应的装置称为裂变反应堆。,热中子反应堆,裂变堆的堆芯处于很强的核辐射中，具有各种严重的辐照效应，对材料有特殊的性能要求。堆芯材料主要有：燃料组件用材料：包括燃料元件芯体材料、燃料元件包壳材料、控制棒材料等；慢化剂材料；冷却剂材料；控制材料：包括控制棒芯体(中子吸收体)材料、控制棒包壳材料和液体控制材料；反射层材料；屏蔽材料；反应堆容器材料。,核燃料是含有易裂变核素(铀235、铀233、钚239中任一种)的金属或陶瓷，作为燃料元件(棒)的芯体，通常做成圆柱状、板状或粒状。
48、,核燃料芯体,如果核燃料与冷却剂直接接触，裂变产生的强放射性产物会进入冷却剂，严重污染系统，必须用包壳材料对燃料进行包覆，如锆合金和镁合金等。热中子反应堆内的中子需要慢化，选用质量数接近中子的轻原子核，核的中子散射截面要大，吸收截面要小。热中子反应堆一般用轻水、重水、铍、石墨等作慢化剂材料。,对反应堆的链式裂变反应进行控制通常是容易吸收中子的材料，常用控制材料如B4C、硼硅酸玻璃、Ag-In-Cd合金、Hf等。Hf与反应堆冷却剂的相容性很好，可直接用裸露的金属Hf作为控制棒；其它控制材料都要一个能耐冷却剂腐蚀的包壳管，常用不锈钢。,反应堆控制棒,反应堆控制棒的包壳结构,反应堆冷却剂是载热性能良
49、好的流体。在热中子堆中不能过多吸收中子，在快中子堆中不能过多慢化中子；另外，冷却剂流经强辐射堆芯，要考虑辐射是否会引起分解：热中子堆常用轻水、重水、CO2、He；快中子反应堆则用液态金属钠。为防止堆芯中子泄漏，堆芯周围设置反射层，尽可能将泄漏中子反射回堆芯。反射层要求中子散射截面大，中子吸收截面尽量小，如Be块、石墨块等，也可液体充注堆芯周围反射中子，如水兼作慢化剂、冷却剂和反射层。,屏蔽材料依据核辐射特性有所不同：屏蔽射线要用高密度固体，如铅、重混凝土等；屏蔽热中子用热中子吸收材料，如硼钢、B4C/Al复合材料等。反应堆容器是反应堆的一道安全屏障，必须十分可靠。对于热中子堆，冷却剂压力很高，
50、容器还受到高能中子照射，必须考虑辐照脆性，一般采用高强度钢，如A-508。,核能飞船-漫游者一号探测火星,俄台风级核潜艇,美乔治布什号核动力航空母舰,聚变堆材料,两个轻原子核融合形成重原子核，叫做核聚变，同时放出更大的能量。要使两个核融合发生聚变反应，须克服它们间的静电斥力，可用“受约束的高温等离子体”方案来实现。,核聚变原理示意图,氢弹爆炸场景,受控热核聚变装置,聚变材料主要有以下几种：聚变核燃料：主要是氘和氚。氘增值材料：有一定的氘增殖能力，化学稳定性好，与第一壁结构和冷却剂有好的相容性，一般选用与中子反应生成氘的材料，如Al-Li合金、Li2O、偏铝酸锂(LiAlO2)、偏锆酸锂(LiZ
