新能源材料與器件導(dǎo)論緒論

新能源材料與器件導(dǎo)論彭忠東副教授中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院第一章緒論一，課程背景二，課程內(nèi)容三，新能源概述3.1能源現(xiàn)狀及問(wèn)題3.2綠色技術(shù)3.3新能源概念3.4新能源材料3.5新能源器件3.6新能源材料與器件的開(kāi)展新能源材料與器件專業(yè)是適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)開(kāi)展需要而設(shè)立戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)是新興技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)的深度融合，既代表著科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新的方向，也代表著產(chǎn)業(yè)開(kāi)展的方向，已經(jīng)成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)和引領(lǐng)社會(huì)進(jìn)步的根本動(dòng)力。新能源是世界經(jīng)濟(jì)開(kāi)展中最具決定性影響的五大領(lǐng)域之一〔信息、生物、新材料、新能源、空間技術(shù)〕。一.課程背景新能源材料與器件能源危機(jī)材料發(fā)展環(huán)境污染資源緊缺戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)：節(jié)能環(huán)保、新興信息產(chǎn)業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)、新能源、新能源汽車、高端裝備制造業(yè)和新材料〞一.課程背景新能源技術(shù)促進(jìn)和諧開(kāi)展推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)一課程背景——可持續(xù)開(kāi)展的要求能源和材料是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的最重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著人類發(fā)展和社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，與人類休戚相關(guān)的石油、天然氣和煤等傳統(tǒng)能源日益減少，隨之而來(lái)的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，威脅著人類的可持續(xù)發(fā)展。人類社會(huì)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，保護(hù)自然環(huán)境與資源，必須發(fā)展新材料和新能源技術(shù)。能源的轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存在充分利用地球資源，實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展、推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)方面起著重要的作用。前言低碳生活開(kāi)展清潔可再生能源實(shí)現(xiàn)清潔能源的高效利用風(fēng)能太陽(yáng)能動(dòng)力型超級(jí)電容器

鋰動(dòng)力電池組一.課程背景—面臨任務(wù)研發(fā)環(huán)境友好、清潔高效的新能源材料與器件成為能源領(lǐng)域的主旋律。二.課程教學(xué)內(nèi)容本課程集中講述當(dāng)今主流新能源材料與器件的開(kāi)展概況，內(nèi)容涉及各類新能源材料與器件根本概念、根本原理、根本結(jié)構(gòu)和性能等，重點(diǎn)介紹鋰離子二次電池、太陽(yáng)能電池、燃料電池、超級(jí)電容器等器件及關(guān)鍵材料的應(yīng)用和開(kāi)展前景。參考書(shū)目：《新能源材料》陳軍，化學(xué)工業(yè)出版社;2003《電池手冊(cè)》，托馬斯B.雷迪(ThomasB.Reddy)(編者),汪繼強(qiáng)(譯),化學(xué)工業(yè)出版社，2023年7月1日《新能源技術(shù)》翟秀靜編著《先進(jìn)電池材料》李景虹編著,化學(xué)工業(yè)出版社,北京,2004《新能源材料技術(shù)》朱繼平，化學(xué)工業(yè)出版社;第1版(2023年1月1日)《能源電化學(xué)》陸天虹，化學(xué)工業(yè)出版社，2023年11月1日《鋰離子電池:科學(xué)與技術(shù)》，義夫正樹(shù)化學(xué)工業(yè)出版社，2023年1月1日三、新能源概述3.1能源1.根本概念能量形式:機(jī)械能(風(fēng)能、水能等)、電磁能、熱能、化學(xué)能、原子能、光能。能源:自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。關(guān)于能源的定義，說(shuō)法較多?！犊茖W(xué)技術(shù)百科全書(shū)》：“能源是可從其獲得熱、光和動(dòng)力之類能量的資源〞；《大英百科全書(shū)》：“能源是一個(gè)包括著所有燃料、流水、陽(yáng)光和風(fēng)的術(shù)語(yǔ)，人類用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量〞；《日本大百科全書(shū)》：“在各種生產(chǎn)活動(dòng)中，我們利用熱能、機(jī)械能、光能、電能等來(lái)作功，可利用來(lái)作為這些能量源泉的自然界中的各種載體，稱為能源〞；我國(guó)《能源百科全書(shū)》：“能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的載能體資源。〞可見(jiàn)，能源是一種呈多種形式的，且可以相互轉(zhuǎn)換的能量的源泉。2.能源種類：按形成方式可分為：一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然氣、風(fēng)能、太陽(yáng)能等；二次能源，即由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)換而來(lái)的能源，如電、蒸汽、煤氣、氫等，它們使用方便，易于利用，是高品質(zhì)的能源。按循環(huán)方式可分為：可再生能源，即不會(huì)隨它本身的轉(zhuǎn)化或人類的利用而越來(lái)越少，如風(fēng)能、生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、氫能等；非再生能源，它隨人類的利用而越來(lái)越少，如石油、煤、天然氣、核燃料等。按環(huán)境保護(hù)的要求可分：清潔能源〔綠色能源，如太陽(yáng)能、氫能、風(fēng)能、化學(xué)能源等〕和非清潔能源〔如，化石燃料〕按對(duì)被利用的程度分：常規(guī)能源，被廣泛利用的能源如煤、石油、水力、電能；新能源，如太陽(yáng)能、氫能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等，另外還有核能。能源利用與開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能化石能源風(fēng)能水能核能地?zé)崮芑瘜W(xué)能源3.能源現(xiàn)狀與問(wèn)題人類社會(huì)的開(kāi)展離不開(kāi)優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進(jìn)能源技術(shù)的使用。在當(dāng)今世界，能源的開(kāi)展，能源和環(huán)境，是全世界、全人類共同關(guān)心的問(wèn)題，也是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)開(kāi)展的重要問(wèn)題。非再生能源:石油、天然氣、煤炭和裂變核燃料約占能源總消費(fèi)量的85%左右〔全世界為90%〕再生能源:水力、太陽(yáng)能、風(fēng)能等只占15%左右。2050年?duì)幦〉竭_(dá)50%。各種能源的消費(fèi)比例圖:左圖為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)；右圖為世界能源分布圖再生能源分布:太陽(yáng)能占99%以上,風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等不到1%人類使用的能源歸根到底要依靠太陽(yáng)能，太陽(yáng)能是人類永恒開(kāi)展的能源保證。我國(guó)石油產(chǎn)品需求預(yù)測(cè)

2010年，萬(wàn)噸2020年，萬(wàn)噸汽、煤、柴油17750-1890021700-28800潤(rùn)滑油520-560560-770燃料油29002700化工用油4700-56007200-8700其它5400-55006600-6700石油產(chǎn)品合計(jì)31300-3350038800-47700國(guó)內(nèi)石油需求3.3-3.5億噸4.1-5.0億噸其它：LPG、瀝青、石油焦、溶劑油、硫磺等2004年我國(guó)汽柴油消耗分別達(dá)4706萬(wàn)噸和10292萬(wàn)噸(合計(jì)1.5億噸)

無(wú)窮大約45年約15約61年約30約230年約81約71年約50我國(guó)各種能源探明儲(chǔ)量（以儲(chǔ)采比表示）與世界比較摘自“光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略國(guó)際研討會(huì)：機(jī)遇與挑戰(zhàn)”論文集2004年4月8日，北京P8050100150200250300太陽(yáng)能石油天然氣煤鈾世界中國(guó)能源問(wèn)題—礦物能源面臨枯竭

能源危機(jī)與能源平安是當(dāng)前世界各國(guó)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)改善能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源多元化是國(guó)家開(kāi)展的必然選擇!利用能源的過(guò)程直接污染地球環(huán)境。主要來(lái)源：1)煤、石油等燃料的燃燒；2)汽車排放的廢氣；3)工業(yè)生產(chǎn)(化工廠、煉焦廠等)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣。大氣污染：1)酸雨問(wèn)題；2)溫室效應(yīng)；3)臭氧層破壞。能源問(wèn)題—環(huán)境污染二氧化碳是化石能源的最終排放形態(tài)化石能源及其現(xiàn)狀表3全球各國(guó)CO2排放量比較排行2023年

原油需求控制在4.5億噸，至少進(jìn)口2.5億噸，對(duì)外依存度65%.汽車保有量應(yīng)控制在1億輛(現(xiàn)有2400萬(wàn)輛)

2004年，產(chǎn)量500萬(wàn)輛，到2023年汽車年產(chǎn)量到達(dá)800到1000萬(wàn)輛

在北京、上海等大城市，空氣污染的60%來(lái)自汽車排放二氧化碳的全球排放量中，中國(guó)居第二

2023550ppm從左圖大氣CO2濃度隨年代的變化及其在全球的分布圖可以看出：很明顯，近20年來(lái)，CO2的濃度上升迅速非常迅速，2023年接近550ppm。而且，主要分布在美國(guó)和中國(guó)所在的北半球高緯度60-80度處。CO2大量排放帶來(lái)的最直接危害就是產(chǎn)生溫室效應(yīng)！“溫室效應(yīng)〞使地球變暖帶來(lái)的嚴(yán)重后果A、根據(jù)IPCC的預(yù)測(cè)，2050年地球的平均氣溫將增加2.5±1℃B、專家認(rèn)為：近100年來(lái)，全球年平均氣溫上升了0.6℃。預(yù)計(jì)到2100年，全球年平均氣溫將比1990年上升1.5－3.5℃C、美國(guó)皮尤全球氣候變化研究中心發(fā)表的一份報(bào)告估計(jì)，到2100年全球氣溫將升高攝氏度，并導(dǎo)致海平面升高17-99厘米。D、全球森林面積迅速下降，現(xiàn)有森林已無(wú)法吸收各國(guó)所排放的二氧化碳，已使大氣層中二氧化碳含量迅速增加，整個(gè)氣候狀況已經(jīng)進(jìn)入惡性循環(huán)狀態(tài)。E、氣候變暖有可能導(dǎo)致極地冰帽迅速融化，進(jìn)而使海平面上升，引發(fā)大規(guī)模洪水。在地球歷史上發(fā)生于15萬(wàn)年前的冰川期那么只是因?yàn)樵?萬(wàn)年內(nèi)地球氣溫升高5℃所造成的。溫室效應(yīng)還會(huì)造成極端降水〔暴雨、暴雪〕、颶風(fēng)、山崩及泥石流等“非常事件〞將頻繁出現(xiàn)。專家們注意到，在過(guò)去幾年里，衡量氣候變化的“非常事件指數(shù)〞〔ExtrenmeEventlndex〕不斷攀高，由于氣候變化而引起的自然災(zāi)害隨時(shí)可能出現(xiàn)。G.溫室效應(yīng)造成厄爾尼諾現(xiàn)象頻繁發(fā)生，氣候異常、危害嚴(yán)重3.2綠色技術(shù)隨著世界人口劇增，常規(guī)能源的日益匱乏及大量污染物的排放又進(jìn)一步加劇了人類生態(tài)環(huán)境的惡化。為此，人類需要來(lái)尋求一種新的技術(shù)體系，以實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)開(kāi)展。綠色技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，是指能減少污染、降低消耗和改善生態(tài)的技術(shù)體系。盡量設(shè)計(jì)沒(méi)有或者只有盡可能小的環(huán)境負(fù)作用的產(chǎn)品，并且在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行的生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程。它使所研究開(kāi)發(fā)得產(chǎn)品和過(guò)程對(duì)環(huán)境更加友好，是實(shí)現(xiàn)污染預(yù)防的根本的和重要的科學(xué)手段。綠色技術(shù)主張?jiān)谕ㄟ^(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)換獲取新物質(zhì)的過(guò)程中充分利用每個(gè)原子，具有原子經(jīng)濟(jì)性，因此它既能夠合理利用資源和能源，又能夠?qū)崿F(xiàn)防止污染。原料能夠擺脫化石燃料的限制使用過(guò)程無(wú)排放污染綠色電池能源轉(zhuǎn)換過(guò)程不受熱力學(xué)卡諾循環(huán)限制綠色新能源的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

綠色技術(shù)在能源領(lǐng)域引發(fā)的產(chǎn)業(yè)革命正如火如荼：大力開(kāi)展高效清潔的新能源及其先進(jìn)能源材料的研究以替代化石能源，改善能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)能源多元化。政府相繼出臺(tái)了針對(duì)新能源的扶持政策及遠(yuǎn)景規(guī)劃，決定綜合采取財(cái)政補(bǔ)助、科技支持和市場(chǎng)拉動(dòng)的方式，加快本國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；_(kāi)展。各主要經(jīng)濟(jì)體方案在2023年將可再生能源的比重提高至15-20%左右。全球主要經(jīng)濟(jì)體的新能源開(kāi)展和減排目標(biāo)資料來(lái)源:交銀國(guó)際PV核能歐洲聯(lián)合研究中心對(duì)未來(lái)能源發(fā)展預(yù)測(cè)無(wú)論如何強(qiáng)調(diào)新能源和可再生能源的發(fā)展意義都不過(guò)分。

太陽(yáng)能氫能風(fēng)能1.根本概念新能源是相對(duì)常規(guī)能源而言的，一般指以采用新技術(shù)和新材料而獲得的，在新技術(shù)根底上系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用的能源。包括太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、化學(xué)能源、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、潮汐能，以及氫能、沼氣、酒精、甲醇等。隨著常規(guī)能源的有限性以及環(huán)境問(wèn)題的日益突出，以環(huán)保和可再生為特征的新能源越來(lái)越得到各國(guó)的重視。新能源具有資源可持續(xù)、清潔、分布均衡等特點(diǎn)，必將成為未來(lái)可持續(xù)能源系統(tǒng)的支柱。新能源產(chǎn)業(yè)的開(kāi)展既是整個(gè)能源供給系統(tǒng)的有效補(bǔ)充手段，也是環(huán)境治理和生態(tài)保護(hù)的重要措施，是滿足人類社會(huì)可持續(xù)開(kāi)展需要的最終能源選擇。3.3新能源的概念2.新能源分類常見(jiàn)綠色新能源

太陽(yáng)能風(fēng)能生物質(zhì)能核能化學(xué)能源到“十二五”期末，新能源所占比重應(yīng)該達(dá)到12%—13%到2020年，大電網(wǎng)覆蓋地區(qū)非水電可再生能源發(fā)電在電網(wǎng)總發(fā)電量中的比例達(dá)到3％以上。太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源，人類通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換技術(shù)和光化轉(zhuǎn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了熱發(fā)電、蓄熱、光伏發(fā)電和光化學(xué)發(fā)電等利用形式。目前太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)還存在轉(zhuǎn)換效率、本錢(qián)和使用壽命等系列問(wèn)題。氫能以質(zhì)量輕、傳熱高、清潔和來(lái)源廣等特點(diǎn)展示著誘人的開(kāi)發(fā)前景。氫能的制備、儲(chǔ)存和利用是世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)，氫能的制備和貯存距離大規(guī)模利用還有一定距離。核能是清潔能源之一，和平利用核能為全球所關(guān)注。核能包括核裂變和核聚變。人類已實(shí)現(xiàn)對(duì)核裂變的控制和利用，但尚未實(shí)現(xiàn)可控的核聚變反響。生物質(zhì)能是綠色能源，科學(xué)家們預(yù)計(jì)將成為未來(lái)可持續(xù)新能源系統(tǒng)的重要組成局部。生物質(zhì)氣化技術(shù)、生物質(zhì)液化技術(shù)、生物質(zhì)固化技術(shù)和生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)等的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。風(fēng)能是太陽(yáng)熱輻射引起的大氣流動(dòng)的動(dòng)能，是可再生的清潔能源，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要領(lǐng)域；海洋能、地?zé)崮芎涂扇急际蔷薮蟮哪茉?。積極開(kāi)發(fā)科學(xué)研究，提供開(kāi)發(fā)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開(kāi)展的需要。常見(jiàn)新能源太陽(yáng)能

在人類利用的能源中，太陽(yáng)能是最重要的。各種草木燃料能、化石燃料能、風(fēng)能、水能、海洋流能、海洋溫差等歸根結(jié)底也是來(lái)源于太陽(yáng)的輻射能。太陽(yáng)能是一種巨大且對(duì)環(huán)境無(wú)污染的能源。太陽(yáng)能中只有大約二十二億分之一輻射到地球，其中30%被大氣層反射掉，23%被大氣層吸收掉，但是每秒鐘輻射到地面的總能量有8.0×1013kW，相當(dāng)于目前全世界發(fā)電總量的8萬(wàn)倍。對(duì)太陽(yáng)能的利用，有間接利用與直接利用兩種。間接利用是利用由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的其他能量，如生物質(zhì)能、化石能、風(fēng)能、水能、海洋能等。人類對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)時(shí)直接利用太陽(yáng)能，主要有：光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換?！?〕光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)光－熱轉(zhuǎn)換技術(shù)是將太陽(yáng)輻射的能量通過(guò)各種集熱部件轉(zhuǎn)變成熱能后被直接利用。我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就已使用凹面鏡聚集太陽(yáng)能去點(diǎn)火。1837年英國(guó)人赫胥黎首次使用太陽(yáng)灶燒飯，1875年出現(xiàn)了太陽(yáng)能熱水器。光－熱轉(zhuǎn)換可分為低溫〔100℃～300℃〕與高溫〔300℃以上〕兩種。低溫的用于工業(yè)用熱、制冷、空調(diào)、烹調(diào)等，高溫的用于發(fā)電、材料高溫處理等。太陽(yáng)能集熱器以空氣或液體〔水或防凍液〕為傳熱介質(zhì)。吸熱方式可以是直接吸收太陽(yáng)輻射能，也可以是太陽(yáng)光經(jīng)會(huì)聚后集中照射。分為平板式和聚光式。

光電轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用光電效應(yīng)把太陽(yáng)輻直接轉(zhuǎn)換成電能，使用的是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、硫化鎘電池、磷化銦電池、砷化鋅電池、砷化鎵電池和有機(jī)半導(dǎo)體電池等。硅太陽(yáng)電池已成為人造衛(wèi)星、宇宙飛船和星際空間站等宇宙飛船器的主要能源之一。1958年美國(guó)“先鋒〞號(hào)人造地球衛(wèi)星、1971年我國(guó)制造的“東方紅〞號(hào)人造衛(wèi)星上，都安裝了太陽(yáng)能電池。我國(guó)自行研制的高效砷化鎵太陽(yáng)能電池也已經(jīng)在第二顆“風(fēng)云〞1號(hào)氣象衛(wèi)星上正常使用。太陽(yáng)能電池還可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)很多交通工具，如太陽(yáng)能汽車、太陽(yáng)能飛機(jī)、太陽(yáng)能船、太陽(yáng)能自行車等。太陽(yáng)能電池還可以用來(lái)發(fā)電。美國(guó)、德國(guó)已經(jīng)研制成功地面太陽(yáng)能電池發(fā)電站〔又稱光伏發(fā)電站〕并投入使用。〔2〕光電轉(zhuǎn)換技術(shù)光化學(xué)轉(zhuǎn)換是光與物質(zhì)相互作用引起化學(xué)反響的過(guò)程。綠色植物的光合作用就是光化學(xué)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。人類可以控制的光化學(xué)轉(zhuǎn)換方法是采用光化學(xué)電池。光化學(xué)電池是利用光照射半導(dǎo)體和電解液界面，在電解液內(nèi)形成電流，并使水電離直接產(chǎn)生氫和氧的電池，這里所生成的氫和氧的光化學(xué)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是“光－電－化學(xué)〞過(guò)程，而不是直接的光－化學(xué)過(guò)程。

〔3〕光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)太陽(yáng)灶航天器太陽(yáng)能熱水器太陽(yáng)能發(fā)電裝置太陽(yáng)能汽車太陽(yáng)能發(fā)電站1、氫能的概念氫能是指氫在發(fā)生化學(xué)變化和電化學(xué)學(xué)變化過(guò)程中產(chǎn)生的能量。2、獲得氫的主要方法〔1〕電解法〔2〕熱化學(xué)法〔3〕光電化學(xué)法〔4〕重整法

氫能3、氫能的利用〔1〕直接燃料氫氣目前主要用作火箭的高能燃料。此外還可用作飛機(jī)、汽車的燃料?！?〕燃料電池的燃料燃料電池是一種把燃料的化學(xué)能直接變成電能的裝置。氫燃料電池以氫為燃料，通過(guò)氫、氧燃燒反響產(chǎn)生電能。一種10kW～20kW的堿性H2-O2燃料電池已成功用于航天飛機(jī)?！?〕能源轉(zhuǎn)換介質(zhì)〔能源中間載體〕氫與很多金屬或合金的的氧化反響都是可逆的，而且反響過(guò)程中伴隨著熱能、機(jī)械能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)換?！?〕作為發(fā)電燃料通過(guò)燃料電池或燃?xì)?蒸汽渦輪發(fā)電裝置發(fā)電?！?〕作為家用燃料如燃?xì)涞募矣脽崴鳌⑷∨骱痛对畹取?/p>

氫動(dòng)3號(hào)4、氫能的開(kāi)發(fā)價(jià)值

氫氣熱值高，燃燒產(chǎn)物是水，完全無(wú)污染。而且制氫原料主要也是水，取之不盡，用之不竭。所以氫能是前景廣闊的清潔燃料。1、原子核能原子核能是原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)釋放出的能量，習(xí)慣上稱作核能或原子能。原子核的變化過(guò)程有兩種：一種是自發(fā)的變化過(guò)程，叫放射性銳變。地球上由放射性銳變釋放的原子核能在地球內(nèi)部可以轉(zhuǎn)變?yōu)榈責(zé)?。另一種是人工制造的變化過(guò)程，叫核反響。核反響是原子核與原子核或原子核與根本粒子相互作用時(shí)釋放的能量的過(guò)程。核反響有兩種：一是核裂變反響，是氫元素的原子核發(fā)生分裂的反響。二是核聚變反響，是氫元素的原子核發(fā)生聚合的反響。這兩種反響所釋放出來(lái)的巨大能量在原子彈爆炸和氫彈爆炸中得到了證明。

核能2、原子核能的利用〔1〕原子彈原子彈中的核燃料是高濃縮鈾〔濃度達(dá)93%〕或钚。將彈殼內(nèi)鈾塊〔或钚塊〕分成各自低于臨界質(zhì)量的兩局部，但總質(zhì)量超過(guò)臨界質(zhì)量。原子彈爆炸時(shí)，首先引爆裝在鈾燃料外部的普通TNT炸藥層，其沖擊力會(huì)把兩塊鈾235壓聚在一起，超過(guò)臨界質(zhì)量的鈾塊立即會(huì)產(chǎn)生雪崩似的鏈?zhǔn)椒错?，即發(fā)生核爆炸?！?〕核電站核電站是利用原子核裂變反響放出的核能來(lái)發(fā)電的裝置。核電站主要由兩局部組成。一局部是反響裝置及冷卻裝置，其核心為一個(gè)反響堆，是維持和控制核裂變反響的裝置，在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)核能轉(zhuǎn)換為為熱能。釋放出的熱能由一回路系統(tǒng)冷卻劑帶出，用以產(chǎn)生蒸汽。整個(gè)閉路系統(tǒng)被稱為核蒸汽供給系統(tǒng)，也叫核島，相當(dāng)于常規(guī)火電廠的鍋爐系統(tǒng)。另一局部由蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電的二回系統(tǒng)，與常規(guī)火電廠的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)根本相同，也稱作常規(guī)島。

原子彈爆炸核能發(fā)電原理核能發(fā)電示意圖3、原子核能的價(jià)值1千克鈾235的原子核所釋放出來(lái)的熱量，大約相當(dāng)于2800噸〔2800000千克〕標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)所放出的熱量。建造一座發(fā)電量為100萬(wàn)千瓦的電站，如果是核電站，每年需要補(bǔ)充的核燃料為30噸，六輛解放牌載重汽車就可運(yùn)進(jìn)。如果是燒煤的火力電站，每年要消耗300多萬(wàn)噸煤。運(yùn)輸這些煤炭，平均每天要開(kāi)三列火車，每列火車掛40節(jié)車皮；或是每天要開(kāi)一艘萬(wàn)噸級(jí)的輪船。核電廠每年要用掉80噸的核燃料，只要2支標(biāo)準(zhǔn)貨柜就可以運(yùn)載。如果換成燃煤，需要515萬(wàn)噸，每天要用20噸的大卡車運(yùn)705車才夠。如果使用天然氣，需要143萬(wàn)噸，相當(dāng)于每天燒掉20萬(wàn)桶家用瓦斯。換算起來(lái)，剛好接近全臺(tái)灣692萬(wàn)戶的瓦斯用量。核能發(fā)電1954年蘇聯(lián)建成了世界上第一座核電站——奧布靈斯克核電站核能發(fā)電英國(guó)的原子能發(fā)電站蘇聯(lián)的核能燈塔2003年建成，地處浙江省海鹽縣。中國(guó)秦山核電站位于廣東省深圳市龍崗區(qū)大鵬半島大亞灣核電站4、我國(guó)核能開(kāi)展趨勢(shì)中國(guó)國(guó)家開(kāi)展改革委員會(huì)正在制定中國(guó)核電開(kāi)展民用工業(yè)規(guī)劃，準(zhǔn)備到2023年中國(guó)電力總裝機(jī)容量預(yù)計(jì)為9億千瓦時(shí)，核電的比重將占電力總?cè)萘康?%，即是中國(guó)核電在2023年時(shí)將為3600-4000萬(wàn)千瓦。也就是說(shuō)，到2023年中國(guó)將建成40座相當(dāng)于大亞灣那樣的百萬(wàn)千瓦級(jí)的核電站。

1、生物質(zhì)能的概念生物質(zhì)能是指通過(guò)植物的光合作用而將太陽(yáng)輻射能量以一種生物質(zhì)形式儲(chǔ)存在生物質(zhì)內(nèi)部的能源，也稱為“綠色能源〞。包括地球上所有動(dòng)物、植物、微生物以及由這些生物產(chǎn)生的排泄物和代謝物所具有的全部能量。

生物質(zhì)能世界上生物質(zhì)能種類繁多，包括農(nóng)作物與農(nóng)業(yè)有機(jī)剩余物〔秸稈、果核、玉米芯、蔗渣等〕、木材與森林工業(yè)剩余物〔木屑、樹(shù)枝、樹(shù)葉、樹(shù)根等〕、動(dòng)物排泄物、江河湖泊沉積物與水生植物〔藻類等〕、農(nóng)副產(chǎn)品加工后的有機(jī)廢物、油料作物〔棉籽、馬籽、油桐等〕、城市生活與工業(yè)有些廢棄物〔垃圾和食品、屠宰、制酒、造紙工業(yè)的排泄物等〕等。

2、生物質(zhì)能的種類生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有三種：直接燃料、熱化學(xué)轉(zhuǎn)換和生物化學(xué)轉(zhuǎn)換?！?〕直接燃燒直接燃燒獲取熱量是最簡(jiǎn)單的方法，但轉(zhuǎn)換效率很低，且污染環(huán)境。我國(guó)農(nóng)村傳統(tǒng)的燒柴灶熱效率5%～10%。大力推廣節(jié)柴灶可使熱效率提高到20%～30%，省柴30%～50%，是一種技術(shù)簡(jiǎn)單、易推廣、效果明顯的節(jié)能措施。目前研制的生物質(zhì)壓塊燃料可以提高熱效率并能減少污染?！?〕熱化學(xué)轉(zhuǎn)換生物質(zhì)能的熱化學(xué)轉(zhuǎn)換是指在一定溫度和條件下通過(guò)化學(xué)方法使生物質(zhì)氣化、炭化、熱解和催化液化，生產(chǎn)燃料〔氣態(tài)、液態(tài))和化學(xué)物質(zhì)的技術(shù)。其方法有氣化法、熱分解法和有機(jī)溶劑提取法等。3、生物質(zhì)能的技術(shù)〔3〕生物化學(xué)轉(zhuǎn)化生物化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)是通過(guò)微生物發(fā)酵方法將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換成液體或氣體燃料。它包括生物質(zhì)-沼氣轉(zhuǎn)換技術(shù)和生物質(zhì)-乙醇轉(zhuǎn)化技術(shù)。①生物質(zhì)-沼氣轉(zhuǎn)換技術(shù)20世紀(jì)90年代我國(guó)農(nóng)村廣泛推廣和使用的“沼氣〞，就是通過(guò)這種生物轉(zhuǎn)化技術(shù)得到的。產(chǎn)生沼氣的裝置主要是沼氣池。沼氣可用作優(yōu)質(zhì)燃料、動(dòng)力能源、烘干、養(yǎng)殖等。產(chǎn)生沼氣后的渣料還可用來(lái)種蘑菇，沼液、沼渣也是很好的有機(jī)肥料。沼氣的開(kāi)發(fā)，有利于農(nóng)村燃料、肥料和飼料的解決，也有利于垃圾的無(wú)害化處理。更促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的良性循環(huán)和農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡。②生物質(zhì)-乙醇轉(zhuǎn)換技術(shù)

生物質(zhì)-乙醇轉(zhuǎn)換技術(shù)是將生物原料在密閉容器內(nèi)經(jīng)高溫干餾分解制造乙醇等干凈的液體燃料。生物質(zhì)-乙醇轉(zhuǎn)換技術(shù)所用的原料有糖質(zhì)、淀粉和纖維素等。巴西采用甘蔗渣為原料，每年可生產(chǎn)乙醇120億升，占其全國(guó)汽車燃料的62%，有800萬(wàn)輛汽車使用摻22%酒精的汽油。我國(guó)用甜高粱桿為原料，增殖細(xì)胞技術(shù)三段錐形流化床轉(zhuǎn)化技術(shù)已獲成功，年產(chǎn)3000t的工業(yè)化裝置即將建成。

生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)為合理有效利用生物質(zhì)能開(kāi)拓了廣闊前景，對(duì)生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用，是當(dāng)代人類新能源技術(shù)革新的重要任務(wù)。4、生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)價(jià)值生物質(zhì)能號(hào)稱世界第四大能源。生物質(zhì)能來(lái)源于太陽(yáng)輻射能，是取之不盡用之不竭的可再生能源，據(jù)推算，地球上每年由陸地植物儲(chǔ)存的太陽(yáng)輻射能有1.917×1021J，海洋植物儲(chǔ)存的太陽(yáng)輻射能有9.21×1020J，相當(dāng)于當(dāng)今世界一年耗能總量的10倍多。地球上的生物資源極為豐富，全世界陸地和海洋每年可產(chǎn)生1.7×1011t的植物。1kg綠色植物的發(fā)熱量為1.67×107J，因而生物質(zhì)能每年產(chǎn)生的熱量是極其可觀的。生物質(zhì)能就是人類利用的主要能源，也是許多開(kāi)展中國(guó)家目前最重要的能源。全世界約有25億人依靠生物質(zhì)能取暖、烹飪和照明。科學(xué)開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能既可獲得干凈無(wú)污染的新能源，又能利用城市垃圾和各類有機(jī)廢物。沼氣能的應(yīng)用沼氣能源的應(yīng)用沼氣池沼氣發(fā)電技術(shù)沼氣發(fā)電1、風(fēng)能的概念：風(fēng)能是指空氣的動(dòng)能。2、風(fēng)能的形成：地球外表接受太陽(yáng)輻射能的不同，使各地大氣溫度不同，造成大氣密度和氣壓的差異從而形成風(fēng)。所以風(fēng)能是由太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的。3、風(fēng)能的應(yīng)用：風(fēng)力發(fā)電：建風(fēng)力發(fā)電站

風(fēng)帆助航：風(fēng)帆的使用

風(fēng)力提水：風(fēng)車的使用

風(fēng)力致熱：風(fēng)力機(jī)的使用風(fēng)能4、風(fēng)能的開(kāi)發(fā)價(jià)值：風(fēng)能是地球上無(wú)所不在、永不枯竭的能源。地球上近地層風(fēng)能總儲(chǔ)量約為1.3×1012kW,但目前開(kāi)發(fā)利用的只是極少的一局部。據(jù)估計(jì)，全世界每年燃燒所獲得的能量不及風(fēng)力1年內(nèi)提供的能量的1/1000。我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量估計(jì)為1.6×109kW，在世界上排位第三，可開(kāi)發(fā)利用的約為1/10?？梢杂行Ю玫娘L(fēng)速范圍為3m/s～20m/s。風(fēng)能與其他能源相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，蘊(yùn)量大、分布廣、可再生、無(wú)污染。風(fēng)能作為新能源有著巨大的開(kāi)展?jié)摿Γ貏e是對(duì)于沿海島嶼、遙遠(yuǎn)地區(qū)、草原牧場(chǎng)以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。5、風(fēng)能的應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電海上風(fēng)能的應(yīng)用風(fēng)能的應(yīng)用澳大利亞風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能的應(yīng)用以風(fēng)能為例，新能源的利用流程化學(xué)電源〔電池〕是人們生活中應(yīng)用廣泛的方便儲(chǔ)能技術(shù)，也是高新技術(shù)和現(xiàn)代移動(dòng)通訊的新型能源。性能優(yōu)越的金屬氫化物-鎳電池、鋰離子電池和燃料電池是21世紀(jì)的綠色能源?；瘜W(xué)電源儲(chǔ)能的電化學(xué)原理、制造技術(shù)和開(kāi)展趨勢(shì)是新能源開(kāi)發(fā)的重要組成局部。電能儲(chǔ)存是當(dāng)前研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)有能源網(wǎng)絡(luò)3.先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)能，是指能量轉(zhuǎn)化為在自然條件下比較穩(wěn)定的存在形態(tài)的過(guò)程：自然儲(chǔ)能——光合作用〔太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存〕人為儲(chǔ)能——機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、水能儲(chǔ)存等儲(chǔ)能技術(shù)：在能源開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)換、運(yùn)輸和利用過(guò)程中，能量的供給和需求之間往往存在數(shù)量上、形態(tài)上和時(shí)間上的差異。為了彌補(bǔ)這些差異、有效利用能源，而采取的儲(chǔ)存和釋放能量的人為過(guò)程或技術(shù)。儲(chǔ)能系統(tǒng)本身并不節(jié)約能源，主要在于能夠提高能源利用體系的效率，促進(jìn)新能源如太陽(yáng)能和風(fēng)能的開(kāi)展以及智能電網(wǎng)削峰填谷。儲(chǔ)能技術(shù)是合理、高效、清潔利用能源的重要手段。儲(chǔ)能技術(shù)一般要求:

儲(chǔ)能密度大

變換損耗小

運(yùn)行費(fèi)用低

維護(hù)較容易不污染環(huán)境應(yīng)用最廣最主要的是電能儲(chǔ)存。儲(chǔ)能系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo):儲(chǔ)能密度

儲(chǔ)能功率

儲(chǔ)能效率

儲(chǔ)能價(jià)格環(huán)境負(fù)荷先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)電的儲(chǔ)能技術(shù)大致分三類：

直接儲(chǔ)存電磁能

把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存

把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲(chǔ)存超導(dǎo)線圈蓄能系統(tǒng)鋰電池,鈉硫電池,釩液流電池壓縮空氣,需要時(shí)釋放儲(chǔ)能技術(shù)將在能源系統(tǒng)、新能源〔單個(gè)或集成〕技術(shù)及輸送中發(fā)揮重要作用。先進(jìn)儲(chǔ)能電池3.4新能源材料節(jié)約能源、提高能源利用效率和開(kāi)發(fā)可再生能源正在成為世界能源開(kāi)展的熱點(diǎn)。而在能源科學(xué)的研究中，材料研究是根本，它是能源轉(zhuǎn)換和能源儲(chǔ)藏的物質(zhì)根底。新能源的開(kāi)發(fā)一方面靠利用新的原理來(lái)開(kāi)展新的能源系統(tǒng)，另一方面靠材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，使新系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并提高效率，降低本錢(qián)。能源材料是材料學(xué)科的一個(gè)重要研究方向，核心就是通過(guò)各種物理和化學(xué)的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)新材料、改變傳統(tǒng)材料的特性或行為適應(yīng)新能源的應(yīng)用領(lǐng)域。1.能源材料的概念及分類廣義上，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。有的學(xué)者分為：新能源技術(shù)材料－如增殖堆用核材料、太陽(yáng)能電池材料節(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。新能源材料：指實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化利用及開(kāi)展新能源技術(shù)中所用的關(guān)鍵材料，是開(kāi)展新能源技術(shù)的核心和其應(yīng)用的根底。從材料學(xué)的本質(zhì)和能源開(kāi)展的觀點(diǎn)看，高效儲(chǔ)存和有效利用現(xiàn)有能源的新型材料也可歸屬為新能源材料。新能源材料是能源轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存與應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵材料，主要包括太陽(yáng)能電池材料、燃料電池材料、鎳氫電池材料、核能材料、鋰離子電池材料及開(kāi)展生物質(zhì)能所需的關(guān)鍵材料等。2.新能源材料的應(yīng)用與開(kāi)展〔1〕新材料把原來(lái)習(xí)用已久的能源變?yōu)樾履茉?。如：半?dǎo)體材料把太陽(yáng)能有效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；燃料電池能使氫與氧反響而直接產(chǎn)生電能，代替過(guò)去利用氫氣燃料獲得高溫?！?〕新電極材料可提高儲(chǔ)能和能量轉(zhuǎn)化效率如：鎳氫電池、鋰離子電池等都是靠電極材料的儲(chǔ)能效果和能量轉(zhuǎn)化功能而開(kāi)展起來(lái)的新型二次電池?！?〕新材料決定著核反響堆的性能與平安性。新反響堆需要新型的耐腐蝕、耐輻射材料，這些新材料的組成與可靠性對(duì)核能的平安運(yùn)行和環(huán)境負(fù)荷起決定作用?！?〕材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作、加工工藝決定著新能源平安環(huán)保與運(yùn)行本錢(qián)。如：太陽(yáng)電池材料決定著光電轉(zhuǎn)換效率；燃料電池及儲(chǔ)能電池的電極材料及電解質(zhì)的質(zhì)量決定著電池的性能和壽命；材料的制備工藝及設(shè)備又決定著能源的本錢(qián)。新能源材料是開(kāi)展新能源產(chǎn)業(yè)的根底和先導(dǎo),研究和開(kāi)發(fā)具有高平安性、本錢(qián)低廉、環(huán)保無(wú)毒、性能良好的新材料及其合成體系，對(duì)新能源大規(guī)模應(yīng)用具有關(guān)鍵作用和重要的實(shí)際意義。3.5新能源器件化學(xué)電源最為顯著的特點(diǎn)電化學(xué)系統(tǒng)可逆過(guò)程化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能化學(xué)電源存儲(chǔ)電能的效率通常比燃料燃燒系統(tǒng)高很多物理電源的種類相對(duì)較少即為滿足新能源的高效轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存而設(shè)計(jì)的清潔裝置，本課程重點(diǎn)涉及綠色電源器件。物理電源是指把物理過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置最為典型的物理電源是太陽(yáng)電池物理電源按照新能源利用角度分類新能源器件呈現(xiàn)“諸子百家〞多樣化開(kāi)展3.6新能源材料與器件的開(kāi)展1.新能源成為新興產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略重點(diǎn)2023年9月，在聯(lián)合國(guó)氣候變化峰會(huì)上，胡錦濤主席發(fā)表了題為《攜手應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)》的講話，提出大力開(kāi)展可再生能源和核能，爭(zhēng)取到2023年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)15%左右；2023年11月，溫家寶總理在北京人民大會(huì)堂發(fā)表《讓科技引領(lǐng)中國(guó)可持續(xù)開(kāi)展》的講話中指出，大力開(kāi)展新能源，提高能源利用效率和優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。在2023年9月發(fā)布的《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和開(kāi)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中將新能源列為七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一。〔節(jié)能環(huán)保、新興信息產(chǎn)業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)、新能源、新能源汽車、高端裝備制造業(yè)和新材料〕2.“一代材料，一代技術(shù)，一代裝備〞新能源材料技術(shù)的研發(fā)與推廣將引領(lǐng)和支撐新能源和新能源汽車等國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的培育與開(kāi)展。據(jù)預(yù)測(cè)，到2023年，我國(guó)將形成產(chǎn)值超過(guò)數(shù)萬(wàn)億元的新能源產(chǎn)業(yè)。僅電動(dòng)汽車年銷售量可達(dá)500萬(wàn)輛以上，需儲(chǔ)電系統(tǒng)7500萬(wàn)kW以上，加上太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源儲(chǔ)電及電力調(diào)峰儲(chǔ)電系統(tǒng)，所需儲(chǔ)電系統(tǒng)總量將達(dá)1.2億kW以上，到時(shí)我國(guó)將形成產(chǎn)值分別為2400億元和1200億元的儲(chǔ)電器件與儲(chǔ)電材料產(chǎn)業(yè)。3.新能源材料與器件在實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和利用以及開(kāi)展新能源技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，其研究風(fēng)生水起，以硅半導(dǎo)體材料為代表的太陽(yáng)電池、以儲(chǔ)氫合金為代表的鎳氫電池、以電極材料為代表的鋰離子電池、燃料電池、受控?zé)岷朔错懚巡牧弦约捌渌麅?chǔ)能電池材料等，尤以發(fā)電