能源材料分析

1、2021/3/131 一次電池可 充 電 電 池（二次電池） 燃料電池 儲備電池（激活電池）能能源源材材料料 “化學(xué)能 電”轉(zhuǎn)換材料 （各類化學(xué)電池）“光 電”轉(zhuǎn)換材料“熱 電”轉(zhuǎn)換材料儲能材料2021/3/132 “化學(xué)能化學(xué)能 電電”轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換材料, ,也叫做也叫做“化學(xué)電源化學(xué)電源”或或“電池電池”是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。放電時是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。放電時, ,化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔? ,充電時充電時, ,電能電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來, ,一次電一次電池的反應(yīng)不可逆的池的反應(yīng)不可逆的, ,二次電池的二次電池的反應(yīng)是可逆的。反應(yīng)是可逆的。1 “化學(xué)能化學(xué)能 電電”

2、轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換材料（化學(xué)電源）（化學(xué)電源）2021/3/133 化學(xué)電源（電池）主要是由化學(xué)電源（電池）主要是由電極電極（包括（包括電極粘結(jié)劑）、電解質(zhì)電極粘結(jié)劑）、電解質(zhì)、隔膜以及、隔膜以及外殼外殼（包（包括括電池封口劑電池封口劑）所組成。）所組成。 電極電極是電池的核心部分是電池的核心部分,它是由活性物它是由活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨架所組成?；钚晕镔|(zhì)是指正、負(fù)質(zhì)和導(dǎo)電骨架所組成?；钚晕镔|(zhì)是指正、負(fù)極中參加成流反應(yīng)的物質(zhì)極中參加成流反應(yīng)的物質(zhì),是決定化學(xué)電源基是決定化學(xué)電源基本特性的重要部分。本特性的重要部分。 電解質(zhì)電解質(zhì)在電池內(nèi)部正、負(fù)極之間擔(dān)負(fù)著在電池內(nèi)部正、負(fù)極之間擔(dān)負(fù)著傳遞電荷的作用傳遞電荷

3、的作用,要求比電導(dǎo)高要求比電導(dǎo)高,電壓降要小。電壓降要小。電解質(zhì)有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)之分。電解質(zhì)有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)之分。 1.1 化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)2021/3/134 隔膜隔膜的作用是防止正、負(fù)極活性物質(zhì)的直的作用是防止正、負(fù)極活性物質(zhì)的直接接觸接接觸,防止電池內(nèi)部的短路。隔膜的形狀薄膜、防止電池內(nèi)部的短路。隔膜的形狀薄膜、板材、棒材等。板材、棒材等。 外殼外殼是電池的容器是電池的容器,在化學(xué)電源（電池）中在化學(xué)電源（電池）中,除了鋅錳干電池是以鋅電池（負(fù)極）兼作外殼除了鋅錳干電池是以鋅電池（負(fù)極）兼作外殼以外以外,其它電池都有獨立的外科其它電池都有獨立的外科,外殼要求機(jī)

4、械強外殼要求機(jī)械強度高、耐針對、耐沖擊、耐腐蝕、耐溫度的變度高、耐針對、耐沖擊、耐腐蝕、耐溫度的變化?；?。2021/3/135 電極電極是電池的核心。一般電極都是由三部是電池的核心。一般電極都是由三部分組成分組成, ,一是參加成流反應(yīng)的活性物質(zhì)一是參加成流反應(yīng)的活性物質(zhì); ;二是為二是為改善性能而加入的導(dǎo)電劑改善性能而加入的導(dǎo)電劑; ;三是少量的添加劑三是少量的添加劑, ,如緩沖劑等。如緩沖劑等。1.1.1 電極類型及結(jié)構(gòu)電極類型及結(jié)構(gòu) 化學(xué)電源常用的化學(xué)電源常用的電極電極有有片狀片狀、粉末多孔粉末多孔狀狀和和氣體擴(kuò)散電極氣體擴(kuò)散電極等等幾種。幾種。 2021/3/136 片狀電極片狀電極是由

5、金屬片或板直接制成是由金屬片或板直接制成,鋅鋅-錳干電錳干電池以鋅片沖成圓筒作負(fù)極池以鋅片沖成圓筒作負(fù)極,鋰電池的負(fù)極用鋰片。鋰電池的負(fù)極用鋰片。 粉末多孔電極粉末多孔電極的應(yīng)用極廣的應(yīng)用極廣,因為電極呈現(xiàn)多孔狀因為電極呈現(xiàn)多孔狀時時,其直接表面積大其直接表面積大,電化學(xué)極化和濃差極化小電化學(xué)極化和濃差極化小,不易鈍不易鈍化。電極反應(yīng)在固化。電極反應(yīng)在固液界面上進(jìn)行液界面上進(jìn)行,充、放電過程中充、放電過程中生成的枝晶少生成的枝晶少,可以防止電極間的短路?？梢苑乐闺姌O間的短路。 氣體擴(kuò)散電極氣體擴(kuò)散電極是粉末多孔電極在氣體電極中的是粉末多孔電極在氣體電極中的應(yīng)用。電極的活性物質(zhì)是氣體。氣體電極反

6、應(yīng)在電應(yīng)用。電極的活性物質(zhì)是氣體。氣體電極反應(yīng)在電極微孔內(nèi)表面形成的氣極微孔內(nèi)表面形成的氣液液固三相界面上進(jìn)行。固三相界面上進(jìn)行。目前工業(yè)上已經(jīng)得到應(yīng)用的氣體擴(kuò)散電極是氫電極目前工業(yè)上已經(jīng)得到應(yīng)用的氣體擴(kuò)散電極是氫電極和氧電極。典型的電極結(jié)構(gòu)有和氧電極。典型的電極結(jié)構(gòu)有:雙層多孔電極（培根雙層多孔電極（培根型電極）、防水型電極、隔膜型電極等。型電極）、防水型電極、隔膜型電極等。2021/3/1371.1.1.2 電極粘結(jié)劑電極粘結(jié)劑 電極常用的粘結(jié)劑電極常用的粘結(jié)劑一般都是高分子化合物一般都是高分子化合物,如如聚乙烯醇（聚乙烯醇（PVA）,聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）,羧甲基纖羧甲基纖維

7、素（維素（CMC）等。）等。1.1.1.2 化學(xué)電源用隔膜化學(xué)電源用隔膜 化學(xué)電源用的化學(xué)電源用的隔膜材料隔膜材料有天然或合成的高分子有天然或合成的高分子材料材料,無機(jī)材料等。根據(jù)原料特點和加工方法不同無機(jī)材料等。根據(jù)原料特點和加工方法不同,可可將隔膜分成有機(jī)材料隔膜將隔膜分成有機(jī)材料隔膜,編織隔膜編織隔膜,氈狀膜氈狀膜,隔膜紙和隔膜紙和陶瓷隔膜等。陶瓷隔膜等。1.1.1.3 封口劑封口劑 電池封口劑電池封口劑有環(huán)氧樹脂有環(huán)氧樹脂,瀝青瀝青,松香等。松香等。 2021/3/1381.1.5 電池組（電池堆）電池組（電池堆） 當(dāng)需要電池輸出高電壓或大電流時當(dāng)需要電池輸出高電壓或大電流時,可以可以

8、將若干個電池通過串聯(lián)、并聯(lián)、復(fù)聯(lián)的方式組將若干個電池通過串聯(lián)、并聯(lián)、復(fù)聯(lián)的方式組成成電池組（電池堆）電池組（電池堆）來使用。來使用。2021/3/139 一次電池一次電池又稱為又稱為原電池原電池,如果原電池中電解不如果原電池中電解不流動流動,則成為則成為干電池干電池,由于電池反應(yīng)本身不可逆由于電池反應(yīng)本身不可逆,或可或可逆反應(yīng)很難進(jìn)行逆反應(yīng)很難進(jìn)行,所以一次電池放電后不能充電再所以一次電池放電后不能充電再用。用。 二次電池二次電池,習(xí)慣上又稱為可充電電池或習(xí)慣上又稱為可充電電池或蓄電池蓄電池,它它是充、放電過程能夠反復(fù)多次循環(huán)使用的一類電池是充、放電過程能夠反復(fù)多次循環(huán)使用的一類電池。 燃料電

9、池又稱連續(xù)電池燃料電池又稱連續(xù)電池, ,它是它是將活性物質(zhì)（燃將活性物質(zhì)（燃料）連續(xù)注入電池料）連續(xù)注入電池, ,使其連續(xù)放電的一種電池。使其連續(xù)放電的一種電池。 儲備電池儲備電池又稱為又稱為激活電池激活電池,這類電池的正負(fù)極這類電池的正負(fù)極活性物質(zhì)在儲存期不直接接觸活性物質(zhì)在儲存期不直接接觸,使用前臨時注入電使用前臨時注入電解液或用其它方法使電池激活。解液或用其它方法使電池激活。 1.2 化學(xué)電源的分類化學(xué)電源的分類2021/3/1310 我們將學(xué)習(xí)幾種有代表性的電池材料。我們將學(xué)習(xí)幾種有代表性的電池材料。 關(guān)于一次電池涉及到關(guān)于一次電池涉及到鋅鋅-錳干電池錳干電池、堿性鋅堿性鋅-錳電池錳電

10、池、鋅鋅-汞電池汞電池、鎘鎘-汞電池汞電池、鋅鋅-銀電池銀電池、堿堿性鋅性鋅-空氣電池空氣電池、鋰電池、鋰離子電池鋰電池、鋰離子電池、一些固一些固體電解質(zhì)電池（銀體電解質(zhì)電池（銀-碘電池）碘電池）。 關(guān)于二次電池涉及到關(guān)于二次電池涉及到鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池、鎘鎘 - 錳電錳電池、氫池、氫-鎳電池鎳電池、金屬氫化物金屬氫化物-鎳電池（鎳電池（MH-Ni電電池）池）、固體電解質(zhì)電池（鈉固體電解質(zhì)電池（鈉-硫電池）硫電池）、鋰電池鋰電池、鋰離子電池鋰離子電池、一些固體電解質(zhì)電池。一些固體電解質(zhì)電池。 2021/3/1311 關(guān)于燃料電池涉及到關(guān)于燃料電池涉及到堿性燃料電池（堿性燃料電池（AFC）、磷

11、酸燃料電池（磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子質(zhì)子交換膜燃料電池（交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇（直接甲醇（DMFC）燃料電池燃料電池。 關(guān)于儲備電池涉及到關(guān)于儲備電池涉及到熱激活電池、水激活電池。熱激活電池、水激活電池。具體有具體有鋅鋅-銀電池銀電池、鎂鎂-銀電池銀電池、鉛鉛-高氯酸電池高氯酸電池等。等。2021/3/1312 1.3 化學(xué)電源的應(yīng)用化學(xué)電源的應(yīng)用 化學(xué)電源具有能量轉(zhuǎn)化效率高、方便、安化學(xué)電源具有能量轉(zhuǎn)化效率高、方便、安全可靠等優(yōu)點全可靠等優(yōu)點,所化學(xué)電源被廣泛地用于工業(yè)

12、、所化學(xué)電源被廣泛地用于工業(yè)、軍事及日常生活之中。軍事及日常生活之中。 一次電池一次電池常用于低功率和中等功率的放電常用于低功率和中等功率的放電.這種電池外形多為圓柱形、鈕扣式、扁形這種電池外形多為圓柱形、鈕扣式、扁形,常以常以單體或電池組的形式用于各種便攜式電器和電子單體或電池組的形式用于各種便攜式電器和電子設(shè)備。圓柱形電池廣泛用于照明、信號、報警裝設(shè)備。圓柱形電池廣泛用于照明、信號、報警裝置、收音機(jī)、收錄機(jī)、計算器、電動剃須刀、吸置、收音機(jī)、收錄機(jī)、計算器、電動剃須刀、吸塵器等家庭生活用品上塵器等家庭生活用品上;鈕扣式電池用于手表、鈕扣式電池用于手表、計算器、電子詞典等物品計算器、電子詞典

13、等物品;薄形電池用作薄形電池用作CMOS電路記憶儲存電源等。此外電路記憶儲存電源等。此外,一次電池還廣泛用一次電池還廣泛用于軍事便攜通訊、雷達(dá)、氣象和導(dǎo)航儀等。于軍事便攜通訊、雷達(dá)、氣象和導(dǎo)航儀等。2021/3/1313 二次電池及其電池組二次電池及其電池組常用于較大功率放常用于較大功率放電電,汽車啟動、照明、點火、應(yīng)急電源人造衛(wèi)星、汽車啟動、照明、點火、應(yīng)急電源人造衛(wèi)星、宇宙飛船。此外宇宙飛船。此外,二次電池組在電動車輛動力方二次電池組在電動車輛動力方面也顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。面也顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。 燃料電池燃料電池適合于長時間連續(xù)工作的場合適合于長時間連續(xù)工作的場合,可可以用于電動

14、車輛的動力以用于電動車輛的動力,也可以作為發(fā)電廠的發(fā)也可以作為發(fā)電廠的發(fā)電裝置電裝置,據(jù)介紹據(jù)介紹,美國的美國的NASA曾經(jīng)成功地將燃曾經(jīng)成功地將燃料電池應(yīng)用于阿波羅飛船的登月飛行和載人航料電池應(yīng)用于阿波羅飛船的登月飛行和載人航天器中。天器中。 儲備電池儲備電池可用作導(dǎo)彈的電源、心臟起搏器可用作導(dǎo)彈的電源、心臟起搏器的電源等。的電源等。2021/3/13141.4 各類電池的簡介各類電池的簡介1.4.1 一次電池一次電池 在化學(xué)電源中,一次電池的歷史最為悠久,產(chǎn)量最大,應(yīng)用最為廣泛。這種電池不能用簡單的方法再生,不能充電,用后要廢棄。 典型的一次電池有鋅-錳電池包括傳統(tǒng)的勒克郎謝電池、紙板電池

15、、堿性鋅-錳電池、無汞鋅-錳電池,鋅-氧化汞電池、鋅-空氣電池。2021/3/13151.1.4.2 二次電池二次電池 二次電池二次電池以以鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池 、鎘鎘-鎳電池、鎳電池、氫氫-鎳電池鎳電池 為其典型代表為其典型代表,此外此外固體電解質(zhì)電固體電解質(zhì)電池、鋰電池、鋰離子電池是非常有前途的池、鋰電池、鋰離子電池是非常有前途的三類三類二次電池二次電池,尤其是尤其是鋰電池、鋰離子電池鋰電池、鋰離子電池既可以作為一次電池既可以作為一次電池, ,也可以作為也可以作為二次電池二次電池,最有發(fā)展前途。最有發(fā)展前途。2021/3/13161.4.3 激活電池激活電池 又稱又稱“貯備電池貯備電池”,

16、 ,電池正負(fù)極活性物電池正負(fù)極活性物質(zhì)和電解質(zhì)在貯存期間不直接接觸。激活電質(zhì)和電解質(zhì)在貯存期間不直接接觸。激活電池在使用前處于惰性狀態(tài)池在使用前處于惰性狀態(tài), ,使用時借助動力使用時借助動力源作用于電解質(zhì)源作用于電解質(zhì), ,使電池激活使電池激活, ,激活方式有氣激活方式有氣體激活體激活, ,液體激活和熱激活液體激活和熱激活, ,一般來說一般來說, ,激活激活電池能夠貯存幾年甚至十幾年。電池能夠貯存幾年甚至十幾年。2021/3/1317 1.4.4 燃料電池燃料電池 在上一次課中在上一次課中,我們講了能源材料之一我們講了能源材料之一 原原電池的情況電池的情況,今天我們介紹燃料電池、光今天我們介紹

17、燃料電池、光電轉(zhuǎn)換、電轉(zhuǎn)換、熱熱電轉(zhuǎn)換材料的情況。電轉(zhuǎn)換材料的情況。 原電池和燃料電池都屬于電池原電池和燃料電池都屬于電池,但是實際上但是實際上它們具有很大的區(qū)別它們具有很大的區(qū)別:原電池是能量儲存裝置原電池是能量儲存裝置,而而燃料電池則是能量轉(zhuǎn)換裝置燃料電池則是能量轉(zhuǎn)換裝置,它需要不斷地通入燃它需要不斷地通入燃料（在陽極料（在陽極,即負(fù)極）和氧化劑（在陰極即負(fù)極）和氧化劑（在陰極,即正即正極）極）,將氧化反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能將氧化反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能,燃料燃料電池所用的氧化劑一般為氧氣或空氣。電池所用的氧化劑一般為氧氣或空氣。 2021/3/1318 我們知道我們知道,原電池所能

18、夠發(fā)出的最大電能是參入原電池所能夠發(fā)出的最大電能是參入電化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)完全反應(yīng)時所電化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)完全反應(yīng)時所產(chǎn)生的電能產(chǎn)生的電能,當(dāng)全部的反應(yīng)物質(zhì)消耗完畢以后當(dāng)全部的反應(yīng)物質(zhì)消耗完畢以后,原電原電池就不再發(fā)電了。池就不再發(fā)電了。 但是對于燃料電池來講但是對于燃料電池來講,如果不考慮元件的老化如果不考慮元件的老化和故障等因素（燃料電池有一定的壽命）和故障等因素（燃料電池有一定的壽命）,只要不只要不斷地向燃料電池提供燃料和氧化劑斷地向燃料電池提供燃料和氧化劑,燃料電池就能燃料電池就能夠連續(xù)不斷地發(fā)出電力。夠連續(xù)不斷地發(fā)出電力。 燃料電池的種類很多燃料電池的種類很多,

19、,關(guān)于燃料電池的分類也關(guān)于燃料電池的分類也有很多種有很多種: : 2021/3/1319 其基本分類有兩種其基本分類有兩種:直接燃料電池和非直接燃料電池。直接燃料電池和非直接燃料電池。 直接燃料電池是直接利用通入的燃料來發(fā)電。直接直接燃料電池是直接利用通入的燃料來發(fā)電。直接燃料電池也有直接型（一次電池燃料電池也有直接型（一次電池,反應(yīng)產(chǎn)物被排放掉）反應(yīng)產(chǎn)物被排放掉）和再生型（二次電池和再生型（二次電池,利用熱再生、充電再生、光化學(xué)利用熱再生、充電再生、光化學(xué)再生、放射化學(xué)再生的方法將反應(yīng)產(chǎn)物再生為反應(yīng)再生、放射化學(xué)再生的方法將反應(yīng)產(chǎn)物再生為反應(yīng)物）。物）。 非直接燃料電池是指所通入的燃料并不被

20、燃料電非直接燃料電池是指所通入的燃料并不被燃料電池直接使用池直接使用, ,需要進(jìn)一步加工處理需要進(jìn)一步加工處理, ,其產(chǎn)物才能夠被燃其產(chǎn)物才能夠被燃料電池所使用。它也有兩種類型料電池所使用。它也有兩種類型; ;一種是一種是“重整型重整型”燃燃料電池料電池, ,是指對有機(jī)燃料加工使其轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃馐侵笇τ袡C(jī)燃料加工使其轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃? ,而后被而后被燃料電池直接使用燃料電池直接使用; ;另一種是另一種是“生化型生化型”燃料電池燃料電池, ,生生化物質(zhì)在一些酶的作用下轉(zhuǎn)換為氫氣化物質(zhì)在一些酶的作用下轉(zhuǎn)換為氫氣, ,而后被燃料電池而后被燃料電池直接使用。直接使用。 2021/3/1320 燃料電池按照工作溫

21、度的高低可以分為燃料電池按照工作溫度的高低可以分為低溫燃料電池低溫燃料電池 包括氫包括氫 - - 氧、有機(jī)物氧、有機(jī)物 - - 氧、氧、氮化物（氨、肼等）氮化物（氨、肼等）- - 氧、金屬氧、金屬 - - 氧、氫氧、氫 - -鹵素、金屬鹵素、金屬 - - 鹵素等型式的燃料電池鹵素等型式的燃料電池 、中、中溫燃料電池（包括氫溫燃料電池（包括氫 - - 氧、有機(jī)物氧、有機(jī)物 - - 氧、氧、氨氨 - - 氧）、高溫燃料電池（包括氫氧）、高溫燃料電池（包括氫 - - 氧、氧、CO - CO - 氧）、超高溫燃料電池。它們所對應(yīng)的氧）、超高溫燃料電池。它們所對應(yīng)的工作溫度范圍分別為工作溫度范圍分別為2

22、5 100;100 500; ;500 1000和和1000以上。以上。 2021/3/1321 按照電解質(zhì)的不同按照電解質(zhì)的不同, ,燃料電池又可以分為五大類燃料電池又可以分為五大類: :堿性燃料電池（簡稱堿性燃料電池（簡稱AFC, ,Alkaline Fuel Cell）、磷）、磷酸燃料電池（簡稱酸燃料電池（簡稱PAFC, ,Phosphorous Acid Fuel Cell）、熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱）、熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC, ,Molten Carbonate Fuel Cell）、固體氧化物燃料電池（簡）、固體氧化物燃料電池（簡稱稱SOFC, ,Solid Oxide

23、Fuel Cell）、質(zhì)子交換膜燃料）、質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱電池（簡稱PEMFC, ,Proton Exchange membrane Fuel Cell）。另外）。另外, ,關(guān)于直接甲醇燃料電池（簡稱關(guān)于直接甲醇燃料電池（簡稱DMFC, ,Direct Methanol Fuel Cell）由于它所使用的）由于它所使用的電解質(zhì)是質(zhì)子交換膜電解質(zhì)是質(zhì)子交換膜, ,所以人們一般將它歸類為質(zhì)子所以人們一般將它歸類為質(zhì)子交換膜燃料電池。下表是這五大類燃料電池的主要交換膜燃料電池。下表是這五大類燃料電池的主要特性與用途。特性與用途。 2021/3/1322電池類型電池類型_簡稱簡稱 AFC PAF

24、C MCFC SOFC PEMFC 電解質(zhì)電解質(zhì) KOH 磷酸磷酸 Li2CO3-K2CO3 YSZ PEM電解質(zhì)形態(tài)電解質(zhì)形態(tài) 液體液體 液體液體 液體液體 固體固體 固體固體陽極陽極 Pt/Ni Pt/C Ni/Al,Ni/Cr Ni/YSZ Pt/C陰極陰極 Pt/Ag Pt/C Li/NiO Sr/LaMnO3 Pt/C 工作溫度工作溫度, 50 200 60 80 150 220 650 900 1050 應(yīng)用應(yīng)用 航空、航天航空、航天, 共發(fā)電共發(fā)電,機(jī)動車機(jī)動車, 共發(fā)電共發(fā)電 共發(fā)電共發(fā)電 共發(fā)電共發(fā)電,機(jī)動車機(jī)動車領(lǐng)域領(lǐng)域 機(jī)動車機(jī)動車 輕便電源輕便電源 便攜式電源便攜式電源

25、 注注: YSZ是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯; PEM是質(zhì)子交換膜的簡稱是質(zhì)子交換膜的簡稱, ,目前常用的有美國杜邦（目前常用的有美國杜邦（Du Pont）公司的）公司的Nafion膜和道爾（膜和道爾（Dow）公司的）公司的Dow膜。膜。 2021/3/1323 單個燃料電池的工作電壓大約單個燃料電池的工作電壓大約0.7V, ,為了獲得實為了獲得實際需要的電壓際需要的電壓, ,需將幾個、幾十個甚至幾百個燃料電需將幾個、幾十個甚至幾百個燃料電池連接起來池連接起來, ,組成所謂的電池堆。在電池堆中組成所謂的電池堆。在電池堆中, ,兩個兩個相鄰的燃料電池通過一個雙極板。雙極板的一側(cè)與相鄰

26、的燃料電池通過一個雙極板。雙極板的一側(cè)與前一個燃料電池的陽極相連前一個燃料電池的陽極相連, ,另一側(cè)與后一個燃料電另一側(cè)與后一個燃料電池的陰極相連。池的陰極相連。 2021/3/1324燃料電池的優(yōu)點是燃料電池的優(yōu)點是: 具有高效率、高可靠性、良好的環(huán)境效益、具有高效率、高可靠性、良好的環(huán)境效益、良好的操作性能、發(fā)電計劃和容量調(diào)節(jié)的靈活性。良好的操作性能、發(fā)電計劃和容量調(diào)節(jié)的靈活性。燃料電池還存在的問題和制約發(fā)展的因素燃料電池還存在的問題和制約發(fā)展的因素: 市場價格昂貴市場價格昂貴; 高溫時壽命以及穩(wěn)定性不夠理想高溫時壽命以及穩(wěn)定性不夠理想; 燃料電池技術(shù)不夠普及燃料電池技術(shù)不夠普及; 沒有完

27、善的燃料供應(yīng)體系。沒有完善的燃料供應(yīng)體系。2021/3/13252 太陽能電池太陽能電池 （光（光-電轉(zhuǎn)換材料電轉(zhuǎn)換材料） 太陽能電池是利用太陽光與材料相互作用直接產(chǎn)生電能的。太陽電池發(fā)電是基于光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)（或稱作“光生伏打效應(yīng)”或“光電效應(yīng)”,Photovoltaic Effect）。具體來說,就由太陽光的光量子與材料相互作用能夠產(chǎn)生光生載流子。當(dāng)將所產(chǎn)生的電子 空位對依靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘分開而到達(dá)兩極時,兩極之間就會產(chǎn)生電勢差,這就是光伏效應(yīng)。 2021/3/1326太陽能電池材料太陽能電池材料: 目前目前,用來產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料只用來產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料只有半導(dǎo)體材料。制作太陽電池的

28、半導(dǎo)體有半導(dǎo)體材料。制作太陽電池的半導(dǎo)體材料有元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和各材料有元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和各種固溶體。種固溶體。 2021/3/1327 實際上實際上,在半導(dǎo)體中可利用各種勢壘（如在半導(dǎo)體中可利用各種勢壘（如pnpn結(jié)等）結(jié)等）來形成光伏效應(yīng)。來形成光伏效應(yīng)。P P型半導(dǎo)體為空位導(dǎo)電型半導(dǎo)體為空位導(dǎo)電,n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體為電子導(dǎo)電。為電子導(dǎo)電。 無光照時無光照時,在擴(kuò)散作用下在擴(kuò)散作用下,n n區(qū)的過剩自由電子向區(qū)的過剩自由電子向p p區(qū)區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散,使其帶負(fù)電使其帶負(fù)電,p p區(qū)的過?？瘴幌騾^(qū)的過剩空位向n n區(qū)擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散,使其帶使其帶正電正電,pnpn結(jié)兩邊形成電位差結(jié)兩

29、邊形成電位差,即內(nèi)建電場即內(nèi)建電場 勢壘電場勢壘電場,內(nèi)建電場阻止載流子通過內(nèi)建電場阻止載流子通過pn結(jié)進(jìn)一步擴(kuò)散結(jié)進(jìn)一步擴(kuò)散,從而造從而造成平衡狀態(tài)。成平衡狀態(tài)。 在光照下在光照下,大于一定能量的光子大于一定能量的光子,在在p p區(qū)和區(qū)和n n區(qū)會激區(qū)會激發(fā)產(chǎn)生光生載流子發(fā)產(chǎn)生光生載流子,即電子和空位對。它們擴(kuò)散到即電子和空位對。它們擴(kuò)散到pnpn結(jié)附近時受到內(nèi)建電場作用結(jié)附近時受到內(nèi)建電場作用,電子驅(qū)向電子驅(qū)向n n區(qū)區(qū),空穴驅(qū)向空穴驅(qū)向p p區(qū)區(qū),使得使得n n區(qū)有過剩的電子區(qū)有過剩的電子,p p區(qū)有過剩的空位。這區(qū)有過剩的空位。這樣樣,pnpn結(jié)附近又形成一個與內(nèi)建電場方向相反的電結(jié)附

30、近又形成一個與內(nèi)建電場方向相反的電場場 光生電場光生電場,即即p p區(qū)和區(qū)和n n區(qū)之間產(chǎn)生光生伏特電動區(qū)之間產(chǎn)生光生伏特電動勢勢,從而形成光伏效應(yīng)。從而形成光伏效應(yīng)。2021/3/1328 目前最有希望大量應(yīng)用的是硅太陽電池,單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率高,但材料價格較貴。多晶硅太陽電池效應(yīng)達(dá)到13%,半導(dǎo)體GaAs的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20% 28%,太陽電池的轉(zhuǎn)換效應(yīng)與結(jié)構(gòu)有關(guān)。 除此以外,還有一些固溶體,主要有GaAlAs、GaInP、InGaAs、CuInGaSe2、SiGe、SiC等,這些固溶體的物理性能隨固溶體的組成比例而變化。因此可以利用這一特點調(diào)整參數(shù),以滿足太陽能電池的要求。202

31、1/3/13293 熱熱 - 電轉(zhuǎn)換材料電轉(zhuǎn)換材料 1882年,德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)了第一個溫差電現(xiàn)象(thermoelectric phenomena),后被稱為塞貝克效應(yīng)。后來,科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了珀耳帖效應(yīng)和湯姆孫效應(yīng)。這三種溫差電效應(yīng)是相互關(guān)聯(lián)的。2021/3/1330 從從1919世紀(jì)以后世紀(jì)以后,利用塞貝克效應(yīng)的溫差電偶利用塞貝克效應(yīng)的溫差電偶( (也稱為熱電偶也稱為熱電偶)( thermoelectric couple)( thermoelectric couple)已被已被廣泛用于溫度的測試和溫度傳感器。另外廣泛用于溫度的測試和溫度傳感器。另外,利用塞利用塞貝克效應(yīng)還可以制作溫差發(fā)

32、電機(jī)貝克效應(yīng)還可以制作溫差發(fā)電機(jī),利用珀耳帖效應(yīng)利用珀耳帖效應(yīng)可以制作溫差電制冷器可以制作溫差電制冷器(thermoelectric cooling (thermoelectric cooling device)device)。 當(dāng)然當(dāng)然,采用金屬材料制作的溫差發(fā)電機(jī)和溫差采用金屬材料制作的溫差發(fā)電機(jī)和溫差電制冷器的性能很差電制冷器的性能很差,難于實際應(yīng)用。后來難于實際應(yīng)用。后來,到了到了2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代年代,隨著半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展隨著半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展,半導(dǎo)體溫半導(dǎo)體溫差制冷器的性能得到顯著改善差制冷器的性能得到顯著改善,并被廣泛應(yīng)用。因并被廣泛應(yīng)用。因為有實用意義的溫差電制

33、冷為有實用意義的溫差電制冷,都是用半導(dǎo)體材料制都是用半導(dǎo)體材料制作的作的,所以習(xí)慣上把溫差電制冷器稱為半導(dǎo)體制冷所以習(xí)慣上把溫差電制冷器稱為半導(dǎo)體制冷器。器。2021/3/1331 （1）塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）是指把兩種不同的金屬a、b連接成閉合回路,當(dāng)其兩個接點的溫度不同時,在回路中就有電流流過,產(chǎn)生這溫差電流的電動勢就稱為溫差電動勢。當(dāng)兩接點的溫度差T很小時,溫差電動勢V正比于T,比例常數(shù)就稱為塞貝克系數(shù)（Seebeck coefficient）或溫差電動勢率（thermoelectric power）ab 3.1 熱電三效應(yīng)熱電三效應(yīng)2021/3/1332 （2）珀耳

34、帖效應(yīng)（珀耳帖效應(yīng)（Peltier effect）是在塞貝克效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后）是在塞貝克效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后13年年,法國鐘表技師珀耳帖發(fā)現(xiàn)了第二個溫法國鐘表技師珀耳帖發(fā)現(xiàn)了第二個溫差電效應(yīng)。即差電效應(yīng)。即,當(dāng)電流流過由兩種不同當(dāng)電流流過由兩種不同材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）組成的熱電偶材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）組成的熱電偶時時,其一接點將釋放熱量其一接點將釋放熱量,而另一接點而另一接點將吸收熱量將吸收熱量,后來人們稱此為珀耳帖效后來人們稱此為珀耳帖效應(yīng)應(yīng)。 2021/3/1333 （3）湯姆孫效應(yīng)（Thomson effect）是湯姆孫（又名開爾文）用熱力學(xué)理論推導(dǎo)塞貝克效應(yīng)與珀耳帖效應(yīng)之間的聯(lián)系時,發(fā)現(xiàn)的第三種溫差電效

35、應(yīng),被稱為湯姆孫效應(yīng)。具體表述為:當(dāng)電流流過有溫度差T的均勻?qū)w時,除了會產(chǎn)生不可逆的焦耳熱以外,還有可逆的湯姆孫熱Q被放出或被吸收。 2021/3/1334 這三種溫差電效應(yīng)之間是相互這三種溫差電效應(yīng)之間是相互聯(lián)系的聯(lián)系的,由熱力學(xué)定律可以導(dǎo)出它們由熱力學(xué)定律可以導(dǎo)出它們之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 實際上實際上,珀耳帖效應(yīng)是塞貝克效珀耳帖效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。應(yīng)的逆效應(yīng)。 2021/3/1335 在上述熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后,就被人們所利用,最早是用在測溫領(lǐng)域,被稱為:溫差電偶（人們更習(xí)慣的稱呼是:熱電偶,Thermoelectric Couple）,現(xiàn)已廣泛用于測溫技術(shù)和溫度傳感器。熱電偶

36、可以用金屬材料進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換,因為它所需要的電動勢很?。ㄔ趍V級）,但要產(chǎn)生更高的電動勢,就需要用半導(dǎo)體材料進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在已經(jīng)可以利用兩種（n型和p型）半導(dǎo)體組成的回路按照珀耳帖效應(yīng)來制作溫差電制冷器溫差電制冷器（Thermoelectric Cooling Device,習(xí)慣上稱為:半導(dǎo)體制冷器）和按照塞貝克效應(yīng)制作溫差發(fā)電機(jī)溫差發(fā)電機(jī)（Thermoelectric Generator）。為此,人們還提出了一個參數(shù),被稱為溫差電材料的品質(zhì)因數(shù),或稱為:優(yōu)質(zhì)系數(shù)（Figure of Merit）,該參數(shù)一般用符號Z來表示,單位為K-1。 2021/3/1336 溫差發(fā)電器（thermoele

37、ctric generator）由n型和p型半導(dǎo)體組成溫差電偶,其一端由金屬板連接起來,另一端串聯(lián)負(fù)載電偶r。由熱源提供高溫Th,另一端由散熱器維持其較低溫度Tc。 與所有的發(fā)電機(jī)一樣,當(dāng)負(fù)載電阻R與發(fā)電機(jī)內(nèi)阻r相等時,發(fā)電機(jī)能夠獲得最大的電功率,發(fā)電器的效率定義為有用電功率P與消耗的熱能Qa之比。 3.2 溫差發(fā)電器的原理溫差發(fā)電器的原理2021/3/1337 目前,利用熱電轉(zhuǎn)換材料的溫差發(fā)電機(jī)被用到地?zé)崮芾?、海水溫差能利用、工業(yè)余熱利用等領(lǐng)域。在核領(lǐng)域,Pu238是元素钚的一個重要同位素,它放射性衰變時會恒定地放出熱量,以它作為持續(xù)不斷熱源而所制作的溫差發(fā)電機(jī)可作為陸用與空間用的小型核動

38、力電源,該電源在生物、醫(yī)學(xué)、氣象學(xué)、航空航天領(lǐng)域均有應(yīng)用。 2021/3/1338 要求溫差發(fā)電效率要求溫差發(fā)電效率maxmax高高,就要尋找就要尋找優(yōu)值系數(shù)高的高溫材料。而材料的溫差優(yōu)值系數(shù)高的高溫材料。而材料的溫差電參數(shù)往往依賴溫度電參數(shù)往往依賴溫度,有些材料只在某一有些材料只在某一溫度范圍內(nèi)具有較高的優(yōu)值系數(shù)。有時溫度范圍內(nèi)具有較高的優(yōu)值系數(shù)。有時可考慮由多種材料連接組成電偶臂可考慮由多種材料連接組成電偶臂,使得使得不同溫區(qū)都有較高優(yōu)值系數(shù)的材料不同溫區(qū)都有較高優(yōu)值系數(shù)的材料,不過不過,這種連接在技術(shù)上有一定困難。另一方這種連接在技術(shù)上有一定困難。另一方法是晶體生長時摻雜濃度有梯度變化法

39、是晶體生長時摻雜濃度有梯度變化,使使得電偶臂的不同溫區(qū)的摻雜濃度都處于得電偶臂的不同溫區(qū)的摻雜濃度都處于最佳值。最佳值。3.3 熱電材料熱電材料2021/3/1339 許多溫差電材料往往只在某一溫許多溫差電材料往往只在某一溫度范圍內(nèi)有較高的優(yōu)值系數(shù)。在度范圍內(nèi)有較高的優(yōu)值系數(shù)。在300oC以下的低溫范圍以下的低溫范圍,可采用可采用Bi-Te-Se,Sb-Bi-Te系系;在的在的300oC 600oC中溫中溫區(qū)區(qū),PbTe、SnTe、ZnSb是較好材料是較好材料;在在600oC 1000oC的高溫區(qū)的高溫區(qū),主要溫差電主要溫差電材料有材料有GeSi、MnFe、Re2Si等。等。近幾近幾年來年來,

40、PbTe和和CoSb以為基的方鈷礦結(jié)以為基的方鈷礦結(jié)構(gòu)等新材料研究日益受到人們的重視。構(gòu)等新材料研究日益受到人們的重視。 2021/3/1340 應(yīng)該指出,關(guān)于熱電材料的研究還處于初期階段,通過進(jìn)一步深入研究,期望能發(fā)現(xiàn)性能更優(yōu)的溫差電（發(fā)電與制冷）材料。 2021/3/13414 儲能材料儲能材料 儲能（也稱貯能,Energy Storage）包括自然儲能自然儲能和人為儲能人為儲能這兩大類。植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)樯锬軆Υ妗⒐派锝?jīng)過久遠(yuǎn)的演化轉(zhuǎn)換為化石燃料等都屬于自然儲能過程;但相對來說,人們更重視后一類儲能方式,這是因為人為儲能可以通過人類的自身努力、按照人們的意愿來可逆地來儲存

41、能量與釋放能量。人為儲能包括:機(jī)械儲能機(jī)械儲能（機(jī)械儲能的應(yīng)用范圍很廣,像彈簧儲能、飛輪等儲能方式）、化學(xué)儲能化學(xué)儲能（像一次電池、二次電池和貯備電池等）、電磁儲能電磁儲能（像超導(dǎo)電磁線圈儲能等）、氣體儲能氣體儲能（像壓縮空氣儲能等）、液體儲能液體儲能（像用電谷底時,將水抽到高處等待用電高峰時輔助或增加水力發(fā)電、將氣體燃料高壓壓縮為液體燃料等儲能方式）、材材料儲能料儲能等。 2021/3/1342 這里所介紹的是材料儲能,也叫做:儲能材料儲能材料,它們是能夠通過自身的一些特性來儲存能量的材料。最常用的兩種儲能材料是:儲熱材料儲熱材料和儲存燃料儲存燃料的材料。 傳統(tǒng)的顯式儲熱方法很多,像直接利用

42、水、碎石等材料的溫差實現(xiàn)儲熱等,雖然其使用起來簡單、方便,但因儲熱效率低,所以不屬于新型儲熱材料的范圍。新型的儲熱材料儲熱材料是利用材料的相變、結(jié)晶、稀釋等過程的熱效應(yīng)來實現(xiàn)儲熱,尤其是利用材料的相變潛熱來儲熱應(yīng)用范圍廣泛,這類材料被稱為:相變材料或PCM材料材料。2021/3/1343 通常所說相變是指以下四種情況: 晶體的晶格轉(zhuǎn)換,例如六方晶格鋯在871轉(zhuǎn)換為體心立晶格要吸收53kJ/kg的熱量,類似的材料還有CaCl26H2O、Na2HPO4126H2O、Ca（NO3）106H2O、Na2SO410H2O、Na2S2O36H2O; 固、液間的相變,最常見的是冰-水轉(zhuǎn)換,其他材料包括一些鹽

43、,像BeCl2、NaF、NaCl、LiH、LiNO3、KCl、B2O3、Al2O3、Al2Cl6、FeCl3、NaOH、H3PO4、KNO3等與一些共熔混合鹽,像KCl KNO3、NaClNaNO3、CaCl2LiNO3、BaCl2KClLiCl、KFNaFKNO3、NaClNaNO3NaSO4、KBrKClLiBrLiCl等; 液、氣間的相變,最常見的是水-水蒸汽轉(zhuǎn)換; 固氣升華（升華熱大約等于溶解熱與蒸發(fā)熱之和）,除了冰以外,萘和碘等也有這種現(xiàn)象。 2021/3/1344 目前已知的PCM材料有500多種,具體情況請讀者參閱有關(guān)的專著或手冊。但是請記住:并非所有的相變材料都可以用作相變儲能

44、材料,它需要滿足以下幾個要求:第一是熱性能要求,要有合適的相變溫度、相變熱較大合適的熱導(dǎo)率（一般宜大）;第二是化學(xué)性能的要求第二是化學(xué)性能的要求,像變時不能有熔析現(xiàn)象以免相變材料成分有變化,另外,相變的可逆性要好、過冷度要小、性能穩(wěn)定、無毒、無腐蝕、無污染、使用安全、不易燃、不易爆、不易氧化變質(zhì)、結(jié)晶快和晶體生長快;第三是物理性能要求第三是物理性能要求,蒸氣壓要低、體膨脹率要小、密度要大;第四是經(jīng)濟(jì)性第四是經(jīng)濟(jì)性能的要求能的要求,原料要易購、價格低。需要特別指出的是:通常PCM材料是由多組分構(gòu)成,包括:主儲熱劑、相變點調(diào)整劑、防過冷劑、防相分離劑、相變促進(jìn)劑等。2021/3/1345 PCM材

45、料按相變形式來分,有固-固相變型、固-液相變型等;按相變溫度來分,有高溫型、中溫型、低溫型;按化學(xué)成分來分,有無機(jī)型、有機(jī)型、復(fù)合型,尤其是復(fù)合型已經(jīng)成為PCM材料的一個研究熱點。復(fù)合型PCM材料的制備方法主要有: 膠囊化技術(shù); 利用毛細(xì)管作用將相變材料吸附到多孔基質(zhì)中; 與聚合物復(fù)合; 用濕化學(xué)法制備無機(jī)/有機(jī)納米復(fù)合PCM材料。2021/3/1346 儲存燃料的材料儲存燃料的材料也很多,例如可燃?xì)怏w水合物,尤其是自然的天然氣水合物（簡稱:NGH,俗稱;可燃冰）的探測與開發(fā)、合成天然氣水合物的研制與開發(fā)是未來能源的發(fā)展方向之一,但其目前的應(yīng)用還沒有充分展開。目前應(yīng)用廣泛和受到重視的是儲存氫氣

46、的材料,簡稱:儲氫材料儲氫材料。因此,以下將重點介紹的是儲氫材料。 氫氣是最清潔的一次能源,它熱值高、資源豐富、無毒、無污染,常用氫氣的制取方法有:天然氣制氫、石油制氫、煤制氫、電解水制氫、生物制氫、太陽能制氫、核能制氫、等離子化學(xué)制氫等。氫能源的應(yīng)用范圍廣泛且適應(yīng)性很強,目前較多地應(yīng)用在燃料電池、氫能汽車、氫能熱泵等設(shè)備上。氫能儲存是氫能開發(fā)和氫能利用的重要組成部分。常用的儲氫方法有:物理法和化學(xué)法。2021/3/1347 物理儲氫法物理儲氫法是利用儲氫物質(zhì)與氫分子之間的物理作用或物理吸附來儲存氫能。具體的儲存方法有:深冷液化儲氫、高壓壓縮儲氫、玻璃微球儲氫、地下巖洞儲氫和超級活性炭吸附儲氫、氣漿儲氫等。另外,用科技方法所制備的福