能源材料課件

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）能源材料“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)換材料儲能材料一次電池能源材料“化學(xué)能—電”轉(zhuǎn)換材料1

“化學(xué)能—

電”轉(zhuǎn)換材料，也叫做“化學(xué)電源”或“電池”是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。放電時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽潆姇r(shí),電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來，一次電池的反應(yīng)不可逆的，二次電池的反應(yīng)是可逆的。1“化學(xué)能—

電”轉(zhuǎn)換材料（化學(xué)電源）“化學(xué)能—電”轉(zhuǎn)換材料，也叫做“化學(xué)電源”或“2

化學(xué)電源（電池）主要是由電極（包括電極粘結(jié)劑）、電解質(zhì)、隔膜以及外殼（包括電池封口劑）所組成。

電極是電池的核心部分，它是由活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨架所組成。活性物質(zhì)是指正、負(fù)極中參加成流反應(yīng)的物質(zhì)，是決定化學(xué)電源基本特性的重要部分。

電解質(zhì)在電池內(nèi)部正、負(fù)極之間擔(dān)負(fù)著傳遞電荷的作用，要求比電導(dǎo)高，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。

1.1化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)化學(xué)電源（電池）主要是由電極（包括電極粘結(jié)劑3

隔膜的作用是防止正、負(fù)極活性物質(zhì)的直接接觸，防止電池內(nèi)部的短路。隔膜的形狀薄膜、板材、棒材等。外殼是電池的容器，在化學(xué)電源（電池）中，除了鋅錳干電池是以鋅電池（負(fù)極）兼作外殼以外，其它電池都有獨(dú)立的外科，外殼要求機(jī)械強(qiáng)度高、耐針對、耐沖擊、耐腐蝕、耐溫度的變化。隔膜的作用是防止正、負(fù)極活性物質(zhì)的直接接觸4

電極是電池的核心。一般電極都是由三部分組成，一是參加成流反應(yīng)的活性物質(zhì)；二是為改善性能而加入的導(dǎo)電劑；三是少量的添加劑，如緩沖劑等。1.1.1電極類型及結(jié)構(gòu)

化學(xué)電源常用的電極有片狀、粉末多孔狀和氣體擴(kuò)散電極等幾種。電極是電池的核心。一般電極都是由三部分組成，一是參5

片狀電極是由金屬片或板直接制成，鋅-錳干電池以鋅片沖成圓筒作負(fù)極，鋰電池的負(fù)極用鋰片。

粉末多孔電極的應(yīng)用極廣，因?yàn)殡姌O呈現(xiàn)多孔狀時(shí)，其直接表面積大，電化學(xué)極化和濃差極化小，不易鈍化。電極反應(yīng)在固—液界面上進(jìn)行，充、放電過程中生成的枝晶少，可以防止電極間的短路。

氣體擴(kuò)散電極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。氣體電極反應(yīng)在電極微孔內(nèi)表面形成的氣—液—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)散電極是氫電極和氧電極。典型的電極結(jié)構(gòu)有：雙層多孔電極（培根型電極）、防水型電極、隔膜型電極等。片狀電極是由金屬片或板直接制成，鋅-錳干電61.1.1.2電極粘結(jié)劑

電極常用的粘結(jié)劑一般都是高分子化合物，如聚乙烯醇（PVA），聚四氟乙烯（PTFE），羧甲基纖維素（CMC）等。1.1.1.2化學(xué)電源用隔膜化學(xué)電源用的隔膜材料有天然或合成的高分子材料，無機(jī)材料等。根據(jù)原料特點(diǎn)和加工方法不同，可將隔膜分成有機(jī)材料隔膜，編織隔膜，氈狀膜，隔膜紙和陶瓷隔膜等。1.1.1.3封口劑

電池封口劑有環(huán)氧樹脂，瀝青，松香等。

1.1.1.2電極粘結(jié)劑71.1.5電池組（電池堆）

當(dāng)需要電池輸出高電壓或大電流時(shí)，可以將若干個電池通過串聯(lián)、并聯(lián)、復(fù)聯(lián)的方式組成電池組（電池堆）來使用。1.1.5電池組（電池堆）8

一次電池又稱為原電池，如果原電池中電解不流動，則成為干電池，由于電池反應(yīng)本身不可逆，或可逆反應(yīng)很難進(jìn)行，所以一次電池放電后不能充電再用。

二次電池，習(xí)慣上又稱為可充電電池或蓄電池，它是充、放電過程能夠反復(fù)多次循環(huán)使用的一類電池。燃料電池又稱連續(xù)電池，它是將活性物質(zhì)（燃料）連續(xù)注入電池，使其連續(xù)放電的一種電池。儲備電池又稱為激活電池，這類電池的正負(fù)極活性物質(zhì)在儲存期不直接接觸，使用前臨時(shí)注入電解液或用其它方法使電池激活。

1.2化學(xué)電源的分類一次電池又稱為原電池，如果原電池中電解不流動9

我們將學(xué)習(xí)幾種有代表性的電池材料。關(guān)于一次電池涉及到鋅-錳干電池、堿性鋅-錳電池、鋅-汞電池、鎘-汞電池、鋅-銀電池、堿性鋅-空氣電池、鋰電池、鋰離子電池、一些固體電解質(zhì)電池（銀-碘電池）。關(guān)于二次電池涉及到鉛酸蓄電池、鎘-錳電池、氫-鎳電池、金屬氫化物-鎳電池（MH-Ni電池）、固體電解質(zhì)電池（鈉-硫電池）、鋰電池、鋰離子電池、一些固體電解質(zhì)電池。

我們將學(xué)習(xí)幾種有代表性的電池材料。10

關(guān)于燃料電池涉及到堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇（DMFC）燃料電池。關(guān)于儲備電池涉及到熱激活電池、水激活電池。具體有鋅-銀電池、鎂-銀電池、鉛-高氯酸電池等。關(guān)于燃料電池涉及到堿性燃料電池（AFC）、磷11

1.3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、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，所化學(xué)電源被廣泛地用于工業(yè)、軍事及日常生活之中。

一次電池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，常以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(bào)警裝置、收音機(jī)、收錄機(jī)、計(jì)算器、電動剃須刀、吸塵器等家庭生活用品上；鈕扣式電池用于手表、計(jì)算器、電子詞典等物品；薄形電池用作CMOS電路記憶儲存電源等。此外，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。1.3化學(xué)電源的應(yīng)用12

二次電池及其電池組常用于較大功率放電，汽車啟動、照明、點(diǎn)火、應(yīng)急電源人造衛(wèi)星、宇宙飛船。此外，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。燃料電池適合于長時(shí)間連續(xù)工作的場合，可以用于電動車輛的動力，也可以作為發(fā)電廠的發(fā)電裝置，據(jù)介紹，美國的NASA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天器中。

儲備電池可用作導(dǎo)彈的電源、心臟起搏器的電源等。二次電池及其電池組常用于較大功率放電，汽車131.4各類電池的簡介1.4.1一次電池在化學(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、堿性鋅-錳電池、無汞鋅-錳電池，鋅-氧化汞電池、鋅-空氣電池。1.4各類電池的簡介1.4.1一次電池141.4.2二次電池

二次電池以鉛酸蓄電池、鎘-鎳電池、氫-鎳電池為其典型代表，此外固體電解質(zhì)電池、鋰電池、鋰離子電池是非常有前途的三類二次電池，尤其是鋰電池、鋰離子電池既可以作為一次電池，也可以作為二次電池，最有發(fā)展前途。1.4.2二次電池二次電池以鉛酸蓄電池、151.4.3激活電池

又稱“貯備電池”，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。激活電池在使用前處于惰性狀態(tài)，使用時(shí)借助動力源作用于電解質(zhì)，使電池激活，激活方式有氣體激活，液體激活和熱激活，一般來說，激活電池能夠貯存幾年甚至十幾年。1.4.3激活電池又稱“貯備電池”，電池正負(fù)極活16

1.4.4燃料電池

在上一次課中，我們講了能源材料之一——原電池的情況，今天我們介紹燃料電池、光—電轉(zhuǎn)換、熱—電轉(zhuǎn)換材料的情況。原電池和燃料電池都屬于電池，但是實(shí)際上它們具有很大的區(qū)別：原電池是能量儲存裝置，而燃料電池則是能量轉(zhuǎn)換裝置，它需要不斷地通入燃料（在陽極，即負(fù)極）和氧化劑（在陰極，即正極），將氧化反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，燃料電池所用的氧化劑一般為氧氣或空氣。

1.4.4燃料電池在上一次課中，我們17

我們知道，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(shí)所產(chǎn)生的電能，當(dāng)全部的反應(yīng)物質(zhì)消耗完畢以后，原電池就不再發(fā)電了。但是對于燃料電池來講，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），只要不斷地向燃料電池提供燃料和氧化劑，燃料電池就能夠連續(xù)不斷地發(fā)出電力。燃料電池的種類很多，關(guān)于燃料電池的分類也有很多種：

我們知道，原電池所能夠發(fā)出的最大電能是參入電化學(xué)反18

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，反應(yīng)產(chǎn)物被排放掉）和再生型（二次電池，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)物）。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，需要進(jìn)一步加工處理，其產(chǎn)物才能夠被燃料電池所使用。它也有兩種類型；一種是“重整型”燃料電池，是指對有機(jī)燃料加工使其轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃?，而后被燃料電池直接使用；另一種是“生化型”燃料電池，生化物質(zhì)在一些酶的作用下轉(zhuǎn)換為氫氣，而后被燃料電池直接使用。

其基本分類有兩種：直接燃料電池和非直接燃料電池。19

燃料電池按照工作溫度的高低可以分為低溫燃料電池[包括氫-氧、有機(jī)物-氧、氮化物（氨、肼等）-氧、金屬-氧、氫-鹵素、金屬-鹵素等型式的燃料電池]、中溫燃料電池（包括氫-氧、有機(jī)物-氧、氨-氧）、高溫燃料電池（包括氫-氧、CO-氧）、超高溫燃料電池。它們所對應(yīng)的工作溫度范圍分別為25℃~100℃；100℃~500℃；500℃~1000℃和1000℃以上。

燃料電池按照工作溫度的高低可以分為低溫燃料電池[包括20

按照電解質(zhì)的不同，燃料電池又可以分為五大類：堿性燃料電池（簡稱AFC，AlkalineFuelCell）、磷酸燃料電池（簡稱PAFC，PhosphorousAcidFuelCell）、熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC，MoltenCarbonateFuelCell）、固體氧化物燃料電池（簡稱SOFC，SolidOxideFuelCell）、質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC，ProtonExchangemembraneFuelCell）。另外，關(guān)于直接甲醇燃料電池（簡稱DMFC，DirectMethanolFuelCell）由于它所使用的電解質(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。

按照電解質(zhì)的不同，燃料電池又可以分為五大類：堿性燃料21電池類型_簡稱AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC電解質(zhì)KOH磷酸Li2CO3-K2CO3YSZPEM電解質(zhì)形態(tài)液體液體液體固體固體陽極Pt/NiPt/CNi/Al，Ni/CrNi/YSZPt/C陰極Pt/AgPt/CLi/NiOSr/LaMnO3Pt/C

工作溫度，℃50~20060~80150~220~650900~1050

應(yīng)用航空、航天，共發(fā)電，機(jī)動車，共發(fā)電共發(fā)電共發(fā)電，機(jī)動車領(lǐng)域機(jī)動車輕便電源便攜式電源

注：①YSZ是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯；②

PEM是質(zhì)子交換膜的簡稱，目前常用的有美國杜邦（DuPont）公司的Nafion膜和道爾（Dow）公司的Dow膜。

電池類型_簡稱AFCPAFC22

單個燃料電池的工作電壓大約0.7V，為了獲得實(shí)際需要的電壓，需將幾個、幾十個甚至幾百個燃料電池連接起來，組成所謂的電池堆。在電池堆中，兩個相鄰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，另一側(cè)與后一個燃料電池的陰極相連。

單個燃料電池的工作電壓大約0.7V，為了獲得實(shí)際需要23燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是：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(jì)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：①市場價(jià)格昂貴；②高溫時(shí)壽命以及穩(wěn)定性不夠理想；③燃料電池技術(shù)不夠普及；④沒有完善的燃料供應(yīng)體系。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是：242太陽能電池（光-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)（或稱作“光生伏打效應(yīng)”或“光電效應(yīng)”，PhotovoltaicEffect）。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(shí)，兩極之間就會產(chǎn)生電勢差，這就是光伏效應(yīng)。

2太陽能電池25太陽能電池材料：目前，用來產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料只有半導(dǎo)體材料。制作太陽電池的半導(dǎo)體材料有元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和各種固溶體。

太陽能電池材料：26

實(shí)際上，在半導(dǎo)體中可利用各種勢壘（如pn結(jié)等）來形成光伏效應(yīng)。P型半導(dǎo)體為空位導(dǎo)電，n型半導(dǎo)體為電子導(dǎo)電。無光照時(shí)，在擴(kuò)散作用下，n區(qū)的過剩自由電子向p區(qū)擴(kuò)散，使其帶負(fù)電，p區(qū)的過?？瘴幌騨區(qū)擴(kuò)散，使其帶正電，pn結(jié)兩邊形成電位差，即內(nèi)建電場—

勢壘電場，內(nèi)建電場阻止載流子通過pn結(jié)進(jìn)一步擴(kuò)散，從而造成平衡狀態(tài)。在光照下，大于一定能量的光子，在p區(qū)和n區(qū)會激發(fā)產(chǎn)生光生載流子，即電子和空位對。它們擴(kuò)散到pn結(jié)附近時(shí)受到內(nèi)建電場作用，電子驅(qū)向n區(qū)，空穴驅(qū)向p區(qū)，使得n區(qū)有過剩的電子，p區(qū)有過剩的空位。這樣，pn結(jié)附近又形成一個與內(nèi)建電場方向相反的電場—光生電場，即p區(qū)和n區(qū)之間產(chǎn)生光生伏特電動勢，從而形成光伏效應(yīng)。實(shí)際上，在半導(dǎo)體中可利用各種勢壘（如pn結(jié)等）來形27

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(jià)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(diǎn)調(diào)整參數(shù)，以滿足太陽能電池的要求。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283熱-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(thermoelectricphenomena),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。3熱-電轉(zhuǎn)換材料1882年，德國物理學(xué)家塞貝29

從19世紀(jì)以后，利用塞貝克效應(yīng)的溫差電偶(也稱為熱電偶)(thermoelectriccouple)已被廣泛用于溫度的測試和溫度傳感器。另外，利用塞貝克效應(yīng)還可以制作溫差發(fā)電機(jī)，利用珀耳帖效應(yīng)可以制作溫差電制冷器(thermoelectriccoolingdevice)。當(dāng)然，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，難于實(shí)際應(yīng)用。后來，到了20世紀(jì)50年代，隨著半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展，半導(dǎo)體溫差制冷器的性能得到顯著改善，并被廣泛應(yīng)用。因?yàn)橛袑?shí)用意義的溫差電制冷，都是用半導(dǎo)體材料制作的，所以習(xí)慣上把溫差電制冷器稱為半導(dǎo)體制冷器。從19世紀(jì)以后，利用塞貝克效應(yīng)的溫差電偶(也30

（1）塞貝克效應(yīng)（Seebeckeffect）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(diǎn)的溫度不同時(shí)，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(diǎn)的溫度差?T很小時(shí)，溫差電動勢?V正比于?T，比例常數(shù)就稱為塞貝克系數(shù)（Seebeckcoefficient）或溫差電動勢率（thermoelectricpower）αab

3.1熱電三效應(yīng)（1）塞貝克效應(yīng)（Seebeckeffect）31

（2）珀耳帖效應(yīng)（Peltiereffect）是在塞貝克效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后13年，法國鐘表技師珀耳帖發(fā)現(xiàn)了第二個溫差電效應(yīng)。即，當(dāng)電流流過由兩種不同材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）組成的熱電偶時(shí)，其一接點(diǎn)將釋放熱量，而另一接點(diǎn)將吸收熱量，后來人們稱此為珀耳帖效應(yīng)。

（2）珀耳帖效應(yīng)（Peltiereffec32

（3）湯姆孫效應(yīng)（Thomsoneffect）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(shí)，發(fā)現(xiàn)的第三種溫差電效應(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(shí)，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。

（3）湯姆孫效應(yīng)（Thomsoneffect）33

這三種溫差電效應(yīng)之間是相互聯(lián)系的，由熱力學(xué)定律可以導(dǎo)出它們之間的關(guān)系。實(shí)際上，珀耳帖效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。

這三種溫差電效應(yīng)之間是相互聯(lián)系的，由熱力34

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，ThermoelectricCouple），現(xiàn)已廣泛用于測溫技術(shù)和溫度傳感器。熱電偶可以用金屬材料進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗枰碾妱觿莺苄。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（ThermoelectricCoolingDevice，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)（ThermoelectricGenerator）。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)（FigureofMerit），該參數(shù)一般用符號Z來表示，單位為K-1。

在上述熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，就被人們所利35

溫差發(fā)電器（thermoelectricgenerator）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(shí)，發(fā)電機(jī)能夠獲得最大的電功率，發(fā)電器的效率η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（thermoelectric36

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(shí)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。

目前，利用熱電轉(zhuǎn)換材料的溫差發(fā)電機(jī)被用到地?zé)?7

要求溫差發(fā)電效率ηmax高，就要尋找優(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，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(shí)可考慮由多種材料連接組成電偶臂，使得不同溫區(qū)都有較高優(yōu)值系數(shù)的材料，不過，這種連接在技術(shù)上有一定困難。另一方法是晶體生長時(shí)摻雜濃度有梯度變化，使得電偶臂的不同溫區(qū)的摻雜濃度都處于最佳值。3.3熱電材料要求溫差發(fā)電效率ηmax高，就要尋找優(yōu)值系數(shù)38

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300oC以下的低溫范圍，可采用Bi-Te-Se，Sb-Bi-Te系；在的300oC~600oC中溫區(qū)，PbTe、SnTe、ZnSb是較好材料；在600oC~1000oC的高溫區(qū)，主要溫差電材料有GeSi、MnFe、Re2Si等。近幾年來，PbTe和CoSb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。許多溫差電材料往往只在某一溫度范圍內(nèi)39

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。

應(yīng)該指出，關(guān)于熱電材料的研究還處于初期階段，通404儲能材料

儲能（也稱貯能，EnergyStorage）包括自然儲能和人為儲能這兩大類。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?yàn)槿藶閮δ芸梢酝ㄟ^人類的自身努力、按照人們的意愿來可逆地來儲存能量與釋放能量。人為儲能包括：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（像一次電池、二次電池和貯備電池等）、電磁儲能（像超導(dǎo)電磁線圈儲能等）、氣體儲能（像壓縮空氣儲能等）、液體儲能（像用電谷底時(shí)，將水抽到高處等待用電高峰時(shí)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）、材料儲能等。4儲能材料儲能（也稱貯能，EnergyStor41

這里所介紹的是材料儲能，也叫做：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：儲熱材料和儲存燃料的材料。傳統(tǒng)的顯式儲熱方法很多，像直接利用水、碎石等材料的溫差實(shí)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。新型的儲熱材料是利用材料的相變、結(jié)晶、稀釋等過程的熱效應(yīng)來實(shí)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。這里所介紹的是材料儲能，也叫做：儲能材料，42

通常所說相變是指以下四種情況：①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CaCl2·6H2O、Na2HPO4·126H2O、Ca（NO3）·106H2O、Na2SO4·10H2O、Na2S2O3·6H2O；

②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，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、NaCl·NaNO3、CaCl2·LiNO3、BaCl2·KCl·LiCl、KF·NaF·KNO3、NaCl·NaNO3·NaSO4、KBr·KCl·LiBr·LiCl等；③液、氣間的相變，最常見的是水-水蒸汽轉(zhuǎn)換；④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。

通常所說相變是指以下四種情況：①晶體的晶格43

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?。翰⒎撬械南嘧儾牧隙伎梢杂米飨嘧儍δ懿牧希枰獫M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，像變時(shí)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，蒸氣壓要低、體膨脹率要小、密度要大；第四是經(jīng)濟(jì)性能的要求，原料要易購、價(jià)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(diǎn)調(diào)整劑、防過冷劑、防相分離劑、相變促進(jìn)劑等。目前已知的PCM材料有500多種，具體情況請44PCM材料按相變形式來分，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(diǎn)。復(fù)合型PCM材料的制備方法主要有：①膠囊化技術(shù)；②利用毛細(xì)管作用將相變材料吸附到多孔基質(zhì)中；③與聚合物復(fù)合；④用濕化學(xué)法制備無機(jī)/有機(jī)納米復(fù)合PCM材料。PCM材料按相變形式來分，有固-固相變型、固-液相變45

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的材料，簡稱：儲氫材料。因此，以下將重點(diǎn)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(qiáng)，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。儲存燃料的材料也很多，例如可燃?xì)怏w水合物，尤46

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勒稀球（C60）和碳納米管對氫有較強(qiáng)的吸附作用，其吸氫量比活性炭還要高，有可能成為新一代的儲氫材料。物理儲氫法是利用儲氫物質(zhì)與氫分子之間的物理作47

化學(xué)儲氫法是指儲氫物質(zhì)與氫分子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成化合物來具有吸附或釋放氫的作用，具體的方法有：金屬氫化物儲氫、無機(jī)化合物儲氫和有機(jī)液態(tài)氫化物儲氫等。其中金屬氫化物可以儲存比其體積大1000~1300倍的氫，能量密度大，成本較低且安全穩(wěn)定，這是一種很有前途的儲氫方法。儲氫金屬氫化物通常是元素周期表中III~V族過渡金屬反應(yīng)生成的氫化物，目前研究較多和投入應(yīng)用的金屬氫化物材料主要有五大類：AB5型稀土-鎳系儲氫材料；AB2型Laves相儲氫材料；AB型鈦-鐵系儲氫材料；A2B鎂系儲氫材料和釩基儲氫固溶體材料?；瘜W(xué)儲氫法是指儲氫物質(zhì)與氫分子之間發(fā)生化學(xué)反48

常用的具體AB5型稀土-鎳系儲氫氫化物有：LaNi5H6.0、MmNi5H6.3、MmCo5H3.0、Mm0.5Ca0.5Ni5H0.5、Mm0.9Ti0.1Ni5H4.5、MmNi4.5Mn0.5H6.6、MmNi2.5Co2.5H5.2、Mm4.5Ni4.5Al0.5H4.9、MmNi4.5Cr0.5H6.3、MmNi4.5Si0.5H3.8、MmNi4.5Cr0.25Mn0.25H6.9、Mm0.5Ca0.5Ni2.5Co2.5H4.5、MmNi4.5Al0.45Ti0.05H5.3、MmNi4.7Al0.3Ti0.05H5.6、MmNi4.5Mn0.45Zr0.05H5.2、MmNi4.5Mn0.5Zr0.05H7.0、MmNi4.7Al0.3Zr0.1H5.0、LaNi4.6Al0.4H5.5等；

AB2型Laves相儲氫材料主要有鋯基和鈦基兩類，常用的具體AB2型或A1+B2型Laves相儲氫氫化物有：TiCr1.8H2.6、TiMn1.5H2.5、ZrCr2H3.8、ZrCr2H3、ZrMn2H3、ZrV2H2.8、ZrV2H4.9、Ti1.2CrMnH3.36、Ti1.2Cr1.2Mn0.8H3.20、Ti1.2Cr1.9Mn0.1H2.92、Ti1.1Cr1.2Mn0.8H2.91、Ti1.3Cr1.2Mn0.8H3.24、TiCrMnH3.17等，另外，還有一些較復(fù)雜的多元合金體系，像Ti17Zr16V22Ni36Cr7及Ti16Zr16V22Ni39Cr7等屬于Ti-Zr-V-Ni-M（M=Cr、Mn、Fe、Co……）體系的多元合金也具有儲氫功能；

常用的具體AB5型稀土-鎳系儲氫氫化物有：L49

常用的AB型鈦-鐵系儲氫材料有：TiFe合金、TiFe0.90Mn0.10合金、TiFe0.85Mn0.15合金、TiFe0.80Mn0.20合金、TiFe0.70Mn0.30合金以及摻Mm的TiFe合金、摻S的TiFe合金等；常用的A2B鎂系儲氫氫化物有：MgH2、Mg2NiH4、Mg2Ni0.75Fe0.25H4、Mg2Ni0.75Co0.25H4、Mg2Ni0.9Cu0.1H4、Mg2Ni0.75Zn0.25H4、Mg2CuH3、Mg3CaH3.7等，另外Mg-Re系、Mg-Ni-Cu系、Mg-Ni-Cu-M（M=Mn、Zr等）系、La-M-Mg-Ni（M=Ca、Zr等）系的鎂系儲能合金也在研究中，此外人們也發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)的Mg-Ni系的合金具有非常好的儲氫效果。

釩與釩基儲氫固溶體材料（V-Ti系、V-Ti-Cr系、V-Ti-Ni等體系的固溶體材料）儲氫時(shí)可以生成VH或VH2兩種類型的氫化物，在V-Ti-Ni體系中人們研究較多的是V3TiNix（x=0~0.75）。

常用的AB型鈦-鐵系儲氫材料有：TiFe合金50歷史ⅱ岳麓版第13課交通與通訊的變化資料精品課件歡迎使用歷史ⅱ岳麓版第13課交通與通訊的變化資料精品課件歡迎使用51能源材料課件52能源材料課件53能源材料課件54[自讀教材·填要點(diǎn)]一、鐵路，更多的鐵路1．地位鐵路是

建設(shè)的重點(diǎn)，便于國計(jì)民生，成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動脈。2．出現(xiàn)1881年，中國自建的第一條鐵路——唐山

至胥各莊鐵路建成通車。1888年，宮廷專用鐵路落成。交通運(yùn)輸開平[自讀教材·填要點(diǎn)]一、鐵路，更多的鐵路交通運(yùn)輸開平55

3．發(fā)展(1)原因：①甲午戰(zhàn)爭以后列強(qiáng)激烈爭奪在華鐵路的

。②修路成為中國人

的強(qiáng)烈愿望。(2)成果：1909年

建成通車；民國以后，各條商路修筑權(quán)收歸國有。4．制約因素政潮迭起，軍閥混戰(zhàn)，社會經(jīng)濟(jì)凋敝，鐵路建設(shè)始終未入正軌。修筑權(quán)救亡圖存京張鐵路3．發(fā)展修筑權(quán)救亡圖存京張鐵路56

二、水運(yùn)與航空1．水運(yùn)(1)1872年,

正式成立，標(biāo)志著中國新式航運(yùn)業(yè)的誕生。(2)1900年前后，民間興辦的各種輪船航運(yùn)公司近百家，幾乎都是在列強(qiáng)排擠中艱難求生。2．航空(1)起步：1918年，附設(shè)在福建馬尾造船廠的海軍飛機(jī)工程處開始研制

。(2)發(fā)展：1918年，北洋政府在交通部下設(shè)“

”；此后十年間，航空事業(yè)獲得較快發(fā)展。輪船招商局水上飛機(jī)籌辦航空事宜處二、水運(yùn)與航空輪船招商局水上飛機(jī)籌辦航空事宜處57三、從驛傳到郵政1．郵政(1)初辦郵政：1896年成立“大清郵政局”，此后又設(shè)

，郵傳正式脫離海關(guān)。(2)進(jìn)一步發(fā)展：1913年，北洋政府宣布裁撤全部驛站；1920年，中國首次參加

。郵傳部萬國郵聯(lián)大會三、從驛傳到郵政郵傳部萬國郵聯(lián)大會582．電訊(1)開端：1877年，福建巡撫在

架設(shè)第一條電報(bào)線，成為中國自辦電報(bào)的開端。(2)特點(diǎn)：進(jìn)程曲折，發(fā)展緩慢，直到20世紀(jì)30年代情況才發(fā)生變化。3．交通通訊變化的影響(1)新式交通促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改變了人們的通訊手段和

，

轉(zhuǎn)變了人們的思想觀念。(2)交通近代化使中國同世界的聯(lián)系大大增強(qiáng)，使異地傳輸更為便捷。(3)促進(jìn)了中國的經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展，也使人們的生活

。臺灣出行方式多姿多彩2．電訊臺灣出行方式多姿多彩59[合作探究·提認(rèn)知]

電視劇《闖關(guān)東》講述了濟(jì)南章丘朱家峪人朱開山一家，從清末到九一八事變爆發(fā)闖關(guān)東的前塵往事。下圖是朱開山一家從山東輾轉(zhuǎn)逃亡到東北途中可能用到的四種交通工具。[合作探究·提認(rèn)知]

電視劇《闖關(guān)東》講述了濟(jì)南章丘60依據(jù)材料概括晚清中國交通方式的特點(diǎn)，并分析其成因。

提示：特點(diǎn)：新舊交通工具并存(或：傳統(tǒng)的帆船、獨(dú)輪車，近代的小火輪、火車同時(shí)使用)。

原因：近代西方列強(qiáng)的侵略加劇了中國的貧困，阻礙社會發(fā)展；西方工業(yè)文明的沖擊與示范；中國民族工業(yè)的興起與發(fā)展；政府及各階層人士的提倡與推動。依據(jù)材料概括晚清中國交通方式的特點(diǎn)，并分析其成因。61[串點(diǎn)成面·握全局][串點(diǎn)成面·握全局]62能源材料課件63

一、近代交通業(yè)發(fā)展的原因、特點(diǎn)及影響1．原因(1)先進(jìn)的中國人為救國救民，積極興辦近代交通業(yè)，促進(jìn)中國社會發(fā)展。(2)列強(qiáng)侵華的需要。為擴(kuò)大在華利益，加強(qiáng)控制、鎮(zhèn)壓中國人民的反抗，控制和操縱中國交通建設(shè)。(3)工業(yè)革命的成果傳入中國，為近代交通業(yè)的發(fā)展提供了物質(zhì)條件。一、近代交通業(yè)發(fā)展的原因、特點(diǎn)及影響642．特點(diǎn)(1)近代中國交通業(yè)逐漸開始近代化的進(jìn)程，鐵路、水運(yùn)和航空都獲得了一定程度的發(fā)展。(2)近代中國交通業(yè)受到西方列強(qiáng)的控制和操縱。(3)地域之間的發(fā)展不平衡。3．影響(1)積極影響：促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改變了人們的出行方式，一定程度上轉(zhuǎn)變了人們的思想觀念；加強(qiáng)了中國與世界各地的聯(lián)系，豐富了人們的生活。(2)消極影響：有利于西方列強(qiáng)的政治侵略和經(jīng)濟(jì)掠奪。2．特點(diǎn)651．李鴻章1872年在上海創(chuàng)辦輪船招商局，“前10年盈和，成為長江上重要商局，招商局和英商太古、怡和三家呈鼎立之勢”。這說明該企業(yè)的創(chuàng)辦 (

)A．打破了外商對中國航運(yùn)業(yè)的壟斷B．阻止了外國對中國的經(jīng)濟(jì)侵略C．標(biāo)志著中國近代化的起步D．使李鴻章轉(zhuǎn)變?yōu)槊褡遒Y本家1．李鴻章1872年在上海創(chuàng)辦輪船招商局，“前10年盈和，成66解析：李鴻章是地主階級的代表，并未轉(zhuǎn)化為民族資本家；洋務(wù)運(yùn)動標(biāo)志著中國近代化的開端，但不是具體以某個企業(yè)的創(chuàng)辦為標(biāo)志；洋務(wù)運(yùn)動中民用企業(yè)的創(chuàng)辦在一定程度上抵制了列強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)侵略，但是并未能阻止其侵略。故B、C、D三項(xiàng)表述都有錯誤。答案：A解析：李鴻章是地主階級的代表，并未轉(zhuǎn)化為民族資本家；洋務(wù)運(yùn)動67二、近代以來交通、通訊工具的進(jìn)步對人們社會生活的影響(1)交通工具和交通事業(yè)的發(fā)展，不僅推動各地經(jīng)濟(jì)文化交流和發(fā)展，而且也促進(jìn)信息的傳播，開闊人們的視野，加快生活的節(jié)奏，對人們的社會生活產(chǎn)生了深刻影響。(2)通訊工具的變遷和電訊事業(yè)的發(fā)展，使信息的傳遞變得快捷簡便，深刻地改變著人們的思想觀念，影響著人們的社會生活。二、近代以來交通、通訊工具的進(jìn)步對人們社會生活的影響682．清朝黃遵憲曾作詩曰：“鐘聲一及時(shí)，頃刻不少留。雖有萬鈞柁，動如繞指柔?！边@是在描寫 (

)A．電話B．汽車C．電報(bào) D．火車解析：從“萬鈞柁”“動如繞指柔”可推斷為火車。答案：D2．清朝黃遵憲曾作詩曰：“鐘聲一及時(shí)，頃刻不少留。雖69能源材料課件70[典題例析][例1]

上海世博會曾吸引了大批海內(nèi)外人士利用各種交通工具前往參觀。然而在19世紀(jì)七十年代，江蘇沿江居民到上海，最有可能乘坐的交通工具是 (

)A．江南制造總局的汽車B．洋人發(fā)明的火車C．輪船招商局的輪船D．福州船政局的軍艦[典題例析][例1]上海世博會曾吸引了