新能源材料簡介.-共43頁課件

1、1新能源材料 New Energy Materials 張景璋材料加工工程2主要分類太陽能電池材料儲氫材料新型二次電池材料 燃料電池材料核能材料 3能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎,是現(xiàn)代文明的三大支柱之一。目前，世界能源消耗還是以煤、石油、天然氣之類的礦物能源為主，不但嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，而且礦物能源不可再生，能源枯竭已成為共識。 煤炭開采海上石油開采平臺嚴重的生態(tài)破壞4生態(tài)環(huán)境嚴重破壞：1952年12月，倫敦煙霧；酸雨；河流干涸；56巨大的能源危機：已開采800億噸石油，按現(xiàn)在的開采速度， 地球上已探明的1770億噸石油儲量僅夠開采50年;已探明的173萬億立方米天然氣僅夠開采63年；

2、已探明的9827億噸煤炭還可用300年到400 年;已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸，全球441座核電站每年消耗6萬多噸濃縮鈾，僅夠使用100年左右。 世界各國水能開發(fā)也已近飽和，風能、太陽能尚無法滿足人類龐大的需求。7我國作為發(fā)展中大國，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源結(jié)構(gòu)也不合理。2009年，中國風力發(fā)電量達到了25.8億瓦，超過了德國的25.77億瓦，僅次于美國35億瓦；2020年，中國將投入足以實現(xiàn)年發(fā)電量150億瓦的風力渦輪機，成為世界最大的風能生產(chǎn)國。盡管在新能源領域有了大規(guī)模的增長，但風力發(fā)電量只占據(jù)中國電力消耗總量的1% 。8為緩解和解決能源危機，科學家提出資源

3、與能源最充分利用技術和環(huán)境最小負擔技術。新能源與新能源材料是兩大技術的重要組成部分。新能源的發(fā)展必須靠利用新的原理來發(fā)展新的能源系統(tǒng)，同時還必須靠新材料的開發(fā)與利用才能使新系統(tǒng)得以實現(xiàn)，并提高其利用效率，降低成本。 發(fā)展新能源材料是解決能源危機的根本途徑。9新能源包括太陽能生物質(zhì)能核能風能地熱海洋能氫能太陽能氫能風能潮汐能地熱核能10新能源材料是指能實現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術所需的關鍵材料，主要包括：硅半導體為代表的太陽能電池材料儲氫合金為代表的儲氫材料鋰離子電池為代表的二次電池材料質(zhì)子交換膜電池為代表的燃料電池材料鈾、氘、氚為代表的反應堆核能材料-11主要特點新能源材料能把原來

4、使用的能源轉(zhuǎn)變成新能源；新能源材料可提高貯能效率，有效進行能量轉(zhuǎn)換；新能源材料可以增加能源利用的新途徑。內(nèi)蒙古四王子旗太陽能電池光伏電站太陽能熱水器12太陽能電池材料13太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位地球上一年接受的太陽能總量為3.81018kW，遠大于人類對能源的需求量；分布廣泛，不需要開采和運輸；不存在枯竭問題，可以長期利用；安全衛(wèi)生，對環(huán)境無污染等。人造衛(wèi)星上的太陽能電池14西班牙塞維利亞太陽能發(fā)電站歐洲最大的太陽能電站，可供18萬戶使用，每年減排60萬噸CO2槽式太陽能蝶式太陽能16通過光電轉(zhuǎn)化將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能加以利用是太陽能利用中最活躍的研究領域。清華大學電力國家重點實驗室

5、太陽能電池開發(fā)綜合利用系統(tǒng)17太陽能光電轉(zhuǎn)化的核心裝置是太陽電池。太陽電池的工作原理是光伏效應：太陽光照在半導體p-n結(jié)上，形成空穴-電子對，在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。光伏效應示意圖太陽能電池P型半導體N型半導體19全球最大規(guī)模的光伏太陽能發(fā)電項目鄂爾多斯市政府與美國first solar公司共建2000兆瓦太陽能光伏發(fā)電廠20世博中國館、主題館，世博中心、演藝中心等永久建筑的屋頂和玻璃幕墻上安裝總裝機容量超過4.68兆瓦的太陽能電池，每年能減排二氧化碳4000噸。主題館屋面太陽能板面積達3萬多平方

6、米，是目前世界最大的單體面積太陽能屋面，年發(fā)電量280萬度，每年減排二氧化碳2800噸，節(jié)約標準煤1000多噸。 世博中國館世博主題館212019年5月，世界首架無污染太陽能飛機進行跨國飛行(從瑞士飛抵布魯塞爾需13小時)，飛行高度可達8700米，平均飛行速度為70-120公里/小時。用超輕碳纖維材料制成，總重1.6噸，由4臺小型電力發(fā)動機驅(qū)動，機翼配備1.2萬個太陽能電池板，翼展長度大約64米。 22晶體硅太陽能電池晶體硅太陽電池是以硅半導體材料制成的大面積pn結(jié)，在p型硅片上制作很薄的摻雜n型層，在n型層上制作金屬柵線作為正面接觸電極，在背面制作金屬膜作為背面接觸電極。晶體硅太陽電池具有性

7、能穩(wěn)定、資源豐富、無毒性等優(yōu)點，是目前市場上的主導產(chǎn)品。單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池23非晶硅太陽電池非晶硅太陽電池是以非晶硅為基體的薄膜太陽電池，電池效率已達到13；世界總組件生產(chǎn)能力達到每年50MW，應用規(guī)模從手表、計算機等消費品用電源發(fā)展到兆瓦級的獨立電站。非晶硅太陽能電池24化合物太陽能電池化合物太陽電池所用材料包括II-VI族化合物和III-V族化合物。II-VI族化合物包括CdTe和CdS等，制成的薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率高、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)。III-V族化合物包括GaAs和InP等，可制成薄膜太陽電池，轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性能好，是較理想的空間太陽電池。太空站上的GaAs太陽

8、電池高原用的GdTe太陽電池25納米太陽電池納米太陽電池(簡稱NPC電池)是一種由鍍有透明導電膜的導電玻璃、多孔納米TiO2、染料光敏化劑、固體電解質(zhì)膜以及鉑電極組成的一種光電化學式電池。納米太陽電池的結(jié)構(gòu)26中國尚德電力和澳大利亞斯威本科技大學已研制出最高效的寬波段納米薄膜太陽電池，光電轉(zhuǎn)化效率為8.1%。為捕獲更多太陽光，將金/銀納米粒子嵌入薄膜中，增加電池可吸收太陽光的波長范圍，提高光子轉(zhuǎn)化電子效率；進一步使用有核的或表面凹凸不平的納米粒子，大幅提高薄膜的比表面積。Xi Chen, Baohua Jia, et al, Broadband Enhancement in Thin-Film

9、 Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles, nano letters, /10.1021/nl203463z| Nano Lett27儲氫材料 28氫能是人類未來的理想能源。氫能熱值高，如燃燒1kg氫可發(fā)熱1.4105kJ，相當于3kg汽油或4.5kg焦炭的發(fā)熱量；資源豐富，地球表面有豐富的水資源，水中含氫量達到11.1；干凈、清潔，燃燒后生成水，不產(chǎn)生二次污染；應用范圍廣，適應性強，可作為燃料電池發(fā)電，也可用于氫能汽車、化學熱泵等。氫能的開發(fā)利用已成為世界特別關注的科技領域。

10、29氫能利用關鍵是高密度安全儲存和運輸技術。氫密度很小，單位重量體積很大。目前市售氫氣一般是在150個大氣壓下儲存在鋼瓶內(nèi)，氫氣重量不到鋼瓶重量的1/100，且有爆炸危險，很不方便。為解決氫的儲存和運輸問題，人們研發(fā)了相應的儲氫材料，主要包括活性炭、無機化合物、有機化合物以及合金化合物四大類儲氫材料。常用高壓氫氣瓶30活性炭儲氫活性炭比表面積可達2000m2/g以上，低溫加壓可吸附儲氫。活性炭原料易得，吸附儲氫和放氫操作都比較簡單。富勒烯(C60)和碳納米管(CNT)對氫氣具有較強的吸附作用。單層碳納米管的吸氫量比活性炭高，H2的吸附量可達5-10(質(zhì)量分數(shù))，有望成為新一代儲氫材料。富勒烯C

11、60碳納迷管31合金化合物儲氫在一定溫度和氫氣壓力下能多次吸收、儲存和釋放氫氣的合金被稱為儲氫合金。氫原子容易進入金屬晶格的四面體或八面體間隙，形成金屬氫化物，如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。氫原子在合金化合物中的占位：(a)四面體；(b)八面體ab32儲氫合金可儲存比其體積大1000-1300倍的氫，而且合金中存儲的氫結(jié)合力較弱，當金屬氫化物受熱時又可釋放氫氣。儲氫合金的儲氫量比較33儲氫合金材料達到實用目的，必須滿足下列要求：儲氫量大，能量密度高；吸氫和放氫速度快；氫化物生成熱?。?分解壓適中：容易活化；化學穩(wěn)定性好；在儲運

12、中安全、無害；原料來源廣、成本價廉。34新型二次電池材料35一次電池使用后常隨普通垃圾一起被丟棄或掩埋，造成資源浪費，同時電池中的重金屬元素泄露也會污染地下水和土壤。二次電池或蓄電池：放電時通過化學反應產(chǎn)生電能，充電時則使體系回復到原來狀態(tài)，將電能以化學能形式重新儲存起來。鎳氫充電電池Li離子充電電池36傳統(tǒng)二次電池如鉛酸電池和鎘鎳電池理論比能量低，且鉛和鎘都是有毒金屬，對環(huán)境污染極大。目前應用較廣的是鎳氫電池(表示為Ni/MH電池)和鋰離子電池(表示為LIB電池)，不但性能優(yōu)良，而且污染較小，被稱為綠色電池。鉛酸蓄電池NiCd充電電池37Ni/MH鎳氫二次電池Ni/MH電池的正極材料采用Ni

13、(OH)2，負極材料為儲氫合金，電解質(zhì)為KOH水溶液。與Ni/Cd電池相比，Ni/MH電池具有以下優(yōu)點：能量密度是Ni/Cd電池的1.5-2倍；充放電速率高；耐過充和過放性能好；使用壽命長；低溫性能好；無Cd元素對環(huán)境的污染。 Ni/MH二次電池38Ni/MH電池開發(fā)重點是大功率、高容量方向。國際上主要汽車公司如GM、Ford和Toyota等相繼開發(fā)出Ni/MH電動汽車和混合電動汽車，GM公司生產(chǎn)的Ni/MH電池動力車，單次充電后可行駛225km，時速為150公里。GM生產(chǎn)的EVI汽車，用26個12V的電池，3小時充電后時速可達到150公里39LIB鋰離子二次電池Li是最輕的金屬元素，它的標準電極電位是-3.045V，是金屬中負電位最大的元素，因此Li負極電池的開發(fā)受到極大重視，與Ni/MH電池性能的比較如下。普通Ni/MH，LIB及Ni/Cd電池性能比較技術參數(shù)Ni/CdNi/MHLIB工作電壓/V質(zhì)量比能量/(