新能源材料概論

1、能源分類一次能源二次能源(經(jīng)轉(zhuǎn)換經(jīng)轉(zhuǎn)換或提煉或提煉）可再生能源非再生能源風(fēng)能，水能，太陽(yáng)能，地?zé)幔Ｑ竽?，生物能化石燃料（煤，石油，天然氣）鈾電能，氫能，汽油，柴油?1) 人類社會(huì)對(duì)能源的需求不斷增加。 能源是與人類社會(huì)的生存與發(fā)展休戚相關(guān)的。 人類社會(huì)的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加。表1 世界一次能源消費(fèi)的增長(zhǎng)率表2 世界一次商品能源構(gòu)成 小型的可移動(dòng)電源的需求量增長(zhǎng)很快，這主要是信息技術(shù)發(fā)展的結(jié)果；特別是近年來(lái)筆記本電腦、手提電話等移動(dòng)通信、攝像機(jī)、聲像設(shè)備以及一些軍用電子設(shè)備的發(fā)展，對(duì)電池的能量密度要求更高，并要求能夠反復(fù)使用。因此促進(jìn)了高容量二次電池的發(fā)展。石油/年天然氣/年煤/年鈾/年

2、世界495726260中國(guó)236110230圖2 世界CO2排放量隨時(shí)間的變化(6) 新能源的開發(fā)不斷取得進(jìn)展 太陽(yáng)能、生物能、核能、風(fēng)能、地?zé)?、海洋能等一次能源和二次能源中的氫能?新能源的開發(fā)一方面靠利用新的原理來(lái)發(fā)展新的能源系統(tǒng)，另一方面靠材料的開發(fā)與應(yīng)用，使新系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并提高效率，降低成本。新材料把原來(lái)習(xí)用已久的能源變?yōu)樾履茉础?如：半導(dǎo)體材料把太陽(yáng)能有效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；燃料電池能如：半?dǎo)體材料把太陽(yáng)能有效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蝗剂想姵啬苁箽渑c氧反應(yīng)而直接產(chǎn)生電能，代替過(guò)去利用氫氣燃料獲得使氫與氧反應(yīng)而直接產(chǎn)生電能，代替過(guò)去利用氫氣燃料獲得高溫。高溫。一些新材料可提高儲(chǔ)能和能力轉(zhuǎn)化效

3、果 如：鎳電池、鋰離子電池等都是靠電極材料的儲(chǔ)能效果和能量如：鎳電池、鋰離子電池等都是靠電極材料的儲(chǔ)能效果和能量轉(zhuǎn)化功能而發(fā)展起來(lái)的新型二次電池。轉(zhuǎn)化功能而發(fā)展起來(lái)的新型二次電池。 新材料決定著核反應(yīng)堆的性能與安全性。 材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作、加工工藝決定著投資與運(yùn)行成本。 如：太陽(yáng)電池材料決定著光電轉(zhuǎn)換效率；太陽(yáng)電池材料決定著光電轉(zhuǎn)換效率； 燃料電池的電極材料決定著電池的質(zhì)量和燃料電池的電極材料決定著電池的質(zhì)量和 壽命；壽命； 材料的制備工藝又決定著能源的成本。材料的制備工藝又決定著能源的成本。 廣義上，凡能源工業(yè)及能源利用技術(shù)所需的材料都可稱為能源材料。新能源材料如增殖堆用核材料、太陽(yáng)能電

4、池材料節(jié)能材料如非晶態(tài)金屬磁性，超導(dǎo)材料。儲(chǔ)能材料如貯氫（吸氫）材料，高比能電池材料幾種二次電池的性能比較幾種二次電池的性能比較：技術(shù)參數(shù)鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池工作電壓(V)1.21.23.6質(zhì) 量 比 能 量(wh/kg)40-5080100-160體 積 比 能 量(wh/L)150200270-300壽命(次)5005001000自放電率(%/月)25-30206-8充電速率(C)1C1C1C不斷涌現(xiàn)的電子新產(chǎn)品需要不斷涌現(xiàn)的電子新產(chǎn)品需要性能更優(yōu)性能更優(yōu)的的電源電源如：如：Apple公司出品公司出品iPod photo播放音樂最長(zhǎng)達(dá)播放音樂最長(zhǎng)達(dá)15小時(shí)；小時(shí)；播放有音樂的幻燈片最

5、長(zhǎng)達(dá)播放有音樂的幻燈片最長(zhǎng)達(dá) 5 小時(shí)小時(shí) APPLE的的iBook 需用容量為需用容量為: 3300 mAh ，10.8 V的鋰的鋰離子電池離子電池 市場(chǎng)期待己久的電動(dòng)車需要市場(chǎng)期待己久的電動(dòng)車需要功率更大功率更大的的電池電池，因而出，因而出現(xiàn)了現(xiàn)了第二代的鋰離子電池第二代的鋰離子電池l 第二代鋰離子電池的特征： 大容量、高電壓、長(zhǎng)壽命、低價(jià)格大容量、高電壓、長(zhǎng)壽命、低價(jià)格l第二代鋰離子電池的R&D; 以美囯能源部車用技術(shù)辦公室支持的“先進(jìn)運(yùn)輸用電池”項(xiàng)目（BATT）代表 壽命達(dá)壽命達(dá)1010年年； 1010年內(nèi)容量衰退年內(nèi)容量衰退20% 170wh/kg170wh/kg； 比功率比

6、功率 300w/kg300w/kg； 成本成本 150$/kwh20k/150$/kwh20k/年年 ( (即每年每即每年每20k20k單元的價(jià)格單元的價(jià)格 200A200A； 充放電速度快充放電速度快 循環(huán)壽命長(zhǎng)循環(huán)壽命長(zhǎng) 維護(hù)簡(jiǎn)單維護(hù)簡(jiǎn)單電池電池+ +超級(jí)電容器：可提供高的電能超級(jí)電容器：可提供高的電能量和電功率，滿足電動(dòng)汽車啟動(dòng)、量和電功率，滿足電動(dòng)汽車啟動(dòng)、加速、爬坡、制動(dòng)之大功率需求加速、爬坡、制動(dòng)之大功率需求超級(jí)電容器產(chǎn)品的性能超級(jí)電容器產(chǎn)品的性能與主要應(yīng)用領(lǐng)域與主要應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)電極材料命名有：根據(jù)電極材料命名有：碳電極電化學(xué)電容器：碳電極電化學(xué)電容器：電極材料：活性碳，碳基聚合物

7、，碳納米材料；電極材料：活性碳，碳基聚合物，碳納米材料；電解質(zhì)：電解質(zhì)：H H2 2SOSO4 4水溶液水溶液 或或 有機(jī)電解質(zhì)有機(jī)電解質(zhì) 或或 含有四烴基氨鹽的固體電解質(zhì)（其比含有四烴基氨鹽的固體電解質(zhì)（其比 表面積達(dá)表面積達(dá)1000m1000m2 2/g/g）雙電層間距離：雙電層間距離：2 23A3A；貯存容量：貯存容量：200200500F/g500F/g；產(chǎn)品電容器的比功率密度；產(chǎn)品電容器的比功率密度；4000 W/kg4000 W/kg電極材料：電極材料：RuORuO2 2 ，IrOIrO2 2等等優(yōu)點(diǎn)：由于優(yōu)點(diǎn)：由于RuORuO2 2電極的導(dǎo)電率比碳大電極的導(dǎo)電率比碳大2 2個(gè)個(gè)數(shù)

8、量級(jí)，在電解質(zhì)數(shù)量級(jí)，在電解質(zhì)H H2 2SOSO4 4中穩(wěn)定，電容器有中穩(wěn)定，電容器有更高的比能量，發(fā)展前景更好更高的比能量，發(fā)展前景更好 太陽(yáng)能：太陽(yáng)能：l最清潔、最強(qiáng)大的能源，取之不盡，用之不最清潔、最強(qiáng)大的能源，取之不盡，用之不竭；竭；l地面上，晴天，每平方米植物表面可接受地面上，晴天，每平方米植物表面可接受1000W1000W能量能量l20002000年以來(lái)美國(guó)推出了年以來(lái)美國(guó)推出了“國(guó)家光伏計(jì)劃國(guó)家光伏計(jì)劃”, ,日本的日本的“陽(yáng)陽(yáng)光計(jì)劃光計(jì)劃”, ,歐洲的歐洲的“尤里卡高科技計(jì)劃尤里卡高科技計(jì)劃”; ;l日韓歐合作建設(shè)全球規(guī)模最大的太陽(yáng)能發(fā)電站日韓歐合作建設(shè)全球規(guī)模最大的太陽(yáng)能發(fā)電站; ;l歐洲五家歐洲五家PVPV制造公司對(duì)日本五家公司展開激烈競(jìng)制造公司對(duì)日本五家公司展開激烈競(jìng)爭(zhēng)爭(zhēng) 促進(jìn)了促進(jìn)了PV PV 的的 R&DR&D、生產(chǎn)、應(yīng)用迅猛發(fā)展、生產(chǎn)、應(yīng)用迅猛發(fā)展; ;l太陽(yáng)光能利用是近年來(lái)發(fā)展最快、最具活力的領(lǐng)域太陽(yáng)光能利