新能源新材料專題1.ppt

1、新能源新材料,新能源與新能源材料的任務及主要進展,新能源與新能源材料的任務及主要進展,人類社會發(fā)展對能源的需求和面臨的挑戰(zhàn) 新能源與新能源材料 一些新能源材料的主要進展,幾個基本概念,能源：產(chǎn)生機械能、熱能、光能、電磁能、化學能等各種能量的自然資源。按形成，可分為一次能源和二次能源；按能否再生，可分為可再生能源和不可再生能源；按使用情況，可分為常規(guī)能源和新能源。能源是人類賴以生存和發(fā)展工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學技術(shù)以及改善人民生活所必需的燃料和動力來源。,幾個基本概念,一次能源：亦稱為“初級能源”、“天然能源”。自然界以天然形式存在的、未經(jīng)加工或轉(zhuǎn)換的能源。可分為源于太陽的能量，如太陽能、風能、水

2、能、生物質(zhì)能、海洋能以及煤炭、石油、天然氣、油頁巖等化石燃料；地熱能；核能；潮汐能。按在自然界能否循環(huán)再生，可分為可再生能源和不可再生能源。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，常對其加工或轉(zhuǎn)換使之成為二次能源，以適應工藝或環(huán)境保護的需要，以及便于使用、輸送和提高勞動生產(chǎn)率等。,幾個基本概念,二次能源：也稱“次級能源”、“人工能源”。由一次能源經(jīng)加工轉(zhuǎn)換而成的其他形式和種類的能源。包括焦碳、煤氣、電力、蒸汽、氫能、酒精，以及汽油、煤油、柴油、重油等油制品。與一次能源相比，提高了品位，并具有輸送、使用較方便、清潔等優(yōu)點。二次能源的利用程度與一個國家的經(jīng)濟、科學技術(shù)、國防等因素有關(guān)。,幾個基本概念,可再生能源：簡稱

3、“再生能源”。自然界生態(tài)循環(huán)中能不斷再生，并有規(guī)律地得到補充，不會枯竭的一次能源。包括太陽能、水能、風能、生物質(zhì)能、海洋能和地熱能等。 不可再生能源：又稱“非再生能源”。經(jīng)人類開發(fā)利用后，在相當長的時期內(nèi)不可能再生的自然能源。主要指各種礦物、化石燃料等需要經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代才能形成的資源。對于不可再生能源的開發(fā)利用，不能任意破壞和浪費。,一、人類社會發(fā)展對能源的需求和面臨的挑戰(zhàn),能源與人類社會的生存及可持續(xù)發(fā)展休戚相關(guān)。為了可持續(xù)發(fā)展，必須保護人類賴以生存的自然環(huán)境和自然資源，這是人類進入二十一世紀后所面臨的嚴重挑戰(zhàn)。于是，科學工作者提出了資源與能源最充分利用技術(shù)(Maximum Energy

4、 and Resources Utilization-MERU技術(shù))和環(huán)境最小負荷技術(shù)(Minimum Environmental Impact-MEI技術(shù))。新能源與新能源材料是這兩大技術(shù)的重要組成部分。 發(fā)展新能源與新能源材料對我國尤其重要，是我國必須得到很好解決的重大課題。人類社會的發(fā)展伴隨著能源消耗量的增加。表0-1列出了世界一次能源消費的增長趨勢。,1-1 工業(yè)文明刺激能源需求持續(xù)增長,1-1 工業(yè)文明刺激能源需求持續(xù)增長,從表中可以看出，世界能源消費的增長率雖然波動較大，但是總趨勢是保持正增長。這兒有三個主要原因：一是世界經(jīng)濟的高速增長，二是能源技術(shù)發(fā)展的刺激，三是世界人口的增長。

5、據(jù)聯(lián)合國的有關(guān)統(tǒng)計資料，1990年全球人口為53億，預計到2020年人口將增加到81億，屆時能源消費將增加一倍。 另一方面，科技進步使單位GDP（國內(nèi)生產(chǎn)總值）的能耗逐漸降低。這也是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)得到重視的原因。圖0-1給出了主要發(fā)達國家單位GDP能耗下降的情況?？梢钥闯?，在16年間單位GDP能耗降低了2040%。我國的單位GDP能耗高出美國一倍以上。這表明我國技術(shù)落后、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)層次低。,1-2 能源結(jié)構(gòu)的變化,人類能源消費的另一個趨勢是能源結(jié)構(gòu)的變化。這種變化一方面反映出人類能源技術(shù)的進步，另一方面也反映出產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和社會生活的變化。表0-2給出了世界能源消費結(jié)構(gòu)的變化。,1-2 能源結(jié)構(gòu)的變化,

6、從表中可以看出，自70年代開始，原油已代替原煤在能源消費中占據(jù)首位，天然氣的消耗比例也在增加。我國的能源結(jié)構(gòu)仍以原煤為主。1996年的比例是：原煤75%，原油17.5%，天然氣1.6%，水電5.9%。 從能源的應用形態(tài)看，小型分立的可移動電源的需求增長很快，這主要是信息技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。特別是近些年來筆記本計算機、手提電話等移動通信、攝象機、聲像設備以及一些軍用電子設備等的發(fā)展，對電池的能量密度要求更高，并要求能反復使用。因此，促進了高容量二次電池的發(fā)展。二次電池成為新能源發(fā)展的重要方向之一。,1-3 礦物質(zhì)能源面臨枯竭的前景,礦物能源枯竭的必然性已取得共識，但何時出現(xiàn)枯竭，預測卻不相同。表03

7、列出1992年世界能源大會提供的調(diào)查資料。此表動態(tài)地預測了資源及需求的變化。對21世紀而言，原油和天然氣資源與需求的形勢是比較嚴峻的。,1-4 礦物燃料燃燒造成的環(huán)境污染,礦物燃料燃燒時要放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、三四苯并芘、煙塵等。這些燃燒產(chǎn)物有的可破壞植被和土壤，如二氧化硫；有的對人的健康有害，如煙塵、三四苯并芘、二氧化硫等；有的對氣候有影響，如二氧化碳、氮氧化物等。在燃燒產(chǎn)物中，大多數(shù)都可以靠燃料的前處理、煙氣凈化大幅度降低，但二氧化碳卻不能用這些辦法降低。改變礦物燃料的種類，可以適當改變CO2釋放量。為獲得同等的熱量，以煤燃燒的CO2釋放量為“1”，則使用石油和天然氣

8、時的CO2釋放量分別降至0.82和0.59。,1-4 礦物燃料燃燒造成的環(huán)境污染,在向大氣釋放的CO2中，80%以上來自能源的生產(chǎn)。隨著能源消耗的增長， CO2釋放量在增大，如圖02所示。不同地區(qū)的人均CO2釋放量的狀況如圖03所示。,1-4 礦物燃料燃燒造成的環(huán)境污染,從圖中可以看出： （1） CO2釋放量呈愈來愈增大的趨勢。據(jù)統(tǒng)計1990年已達59億噸碳，如不采取有效措施，到2020年將達84億噸碳。 （2）發(fā)達國家的釋放量占大部分?，F(xiàn)在發(fā)達國家只占世界人口的18%，卻占總排放量的60%以上，在過去積累的排放量中，發(fā)達國家占90%。 （3）發(fā)展中國家的排放量增長速度從70年代開始加快，進入

9、80年代以來增長速度已超過發(fā)達國家。,1-4 礦物燃料燃燒造成的環(huán)境污染,上述排放量已使自然界CO2循環(huán)的平衡被打破。據(jù)聯(lián)合國所屬的IPCC(Inter-governmental Panel on Climate Change，政府間氣候變化委員會）的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在大氣中的CO2濃度已由1000年前的 28010-4 % 升至 320 10-4 %。多數(shù)專家認為，大氣中CO2濃度的增加是地球氣候變暖的重要原因，發(fā)展下去將對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞，危及人類的生存。,1-4 礦物燃料燃燒造成的環(huán)境污染,經(jīng)過多次國際會議的討論與準備工作，1997年在京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架會議第三次參加國會議的議定

10、書上，規(guī)定簽字國必須在2008年2012年嚴格將溫室氣體的排放量降低到規(guī)定指標。這個任務非常艱巨，要從節(jié)能、提高能源效率、設法吸收大氣中的CO2和擴大使用新能源來解決。,二、新能源與新能源材料,新能源的出現(xiàn)與發(fā)展，一方面是能源技術(shù)本身發(fā)展的結(jié)果，另一方面也是由于這些能源有可能解決上述的資源與環(huán)境問題而受到支持與推動。太陽能、生物質(zhì)能、核能（新型反應堆）、風能、地熱、海洋能等一次能源和二次能源中的氫能等被認為是新能源，其中氫能、太陽能、核能是有希望在21世紀得到廣泛應用的能源。新能源的發(fā)展一方面靠利用新的原理（如聚變核反應、光伏效應等）來發(fā)展新的能源系統(tǒng)，同時還必須靠新材料的開發(fā)與應用，才能使新

11、的系統(tǒng)得以實現(xiàn)，并進一步地提高效率、降低成本。,21 材料的作用,（1）新材料把原來習用已久的能源變成新能源。例如從古代起，人類就使用太陽能取暖、烘干等，現(xiàn)在利用半導體材料才把太陽能有效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。再有，過去人類利用氫氣燃燒來獲得高溫，現(xiàn)在靠燃料電池中的觸媒、電解質(zhì)，使氫與氧反應而直接產(chǎn)生電能，并有望在電動汽車中得到應用。,21 材料的作用,（2）一些新材料可提高儲能和能量轉(zhuǎn)化效果。如儲氫合金可以改善氫的存儲條件，并使化學能轉(zhuǎn)化為電能，金屬氫化物鎳電池、鋰離子電池等都是靠電極材料的儲能效果和能量轉(zhuǎn)化功能而發(fā)展起來的新型二次電池。,21 材料的作用,（3）新材料決定著核反應堆的性能與安全性

12、。新型反應堆需要新型的耐腐蝕、耐輻照材料。這些材料的組成與可靠性對反應堆的安全運行和環(huán)境污染起決定性作用。,21 材料的作用,（4）材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作與加工工藝決定著新能源的投資與運行成本。例如，太陽電池所用的材料決定著光電轉(zhuǎn)換效率，燃料電池及蓄電池的電極材料及電解質(zhì)的質(zhì)量決定著電池的性能與壽命，而這些材料的制備工藝與設備又決定著能源的成本。因此，這些因素是決定該種新能源能否得到大規(guī)模應用的關(guān)鍵。,22 新能源材料的任務及面臨的課題,為了發(fā)揮材料的作用，新能源材料面臨著艱巨的任務。作為材料科學與工程的重要組成部分，新能源材料的主要研究內(nèi)容同樣也是材料的組成與結(jié)構(gòu)、制備與加工工藝、材料的性質(zhì)

13、、材料的使用效能以及它們四者的關(guān)系。結(jié)合新能源材料的特點，新能源材料研究開發(fā)的重點有以下幾方面。,22 新能源材料的任務及面臨的課題,1）研究新材料、新結(jié)構(gòu)、新效應以提高能量的利用效率與轉(zhuǎn)換效率。例如，研究不同的電解質(zhì)與催化劑以提高燃料電池的轉(zhuǎn)換效率，研究不同的半導體材料及各種結(jié)構(gòu)（包括異質(zhì)結(jié)、量子阱）以提高太陽電池的效率、壽命與耐輻照性能等。,22 新能源材料的任務及面臨的課題,2）資源的合理利用 新能源的大量應用必然涉及到新材料所需原料的資源問題。例如，太陽電池若能部分地取代常規(guī)發(fā)電，所需的半導體材料要在百萬噸以上，對一些元素而言（如鎵、銦等）是無法滿足的。因此一方面盡量利用豐度高的元素，

14、如硅等；另一方面實現(xiàn)薄膜化以減少材料的用量。又例如，燃料電池要使用鉑作觸媒，其取代或節(jié)約是大量應用中必須解決的課題。當新能源發(fā)展到一定規(guī)模時，還必須考慮廢料中有價元素的回收工藝與循環(huán)使用。,22 新能源材料的任務及面臨的課題,3）安全與環(huán)境保護 這是新能源能否大規(guī)模應用的關(guān)鍵。例如，鋰電池具有優(yōu)良的性能，但由于鋰二次電池在應用中出現(xiàn)過因短路造成的燒傷事件，以及金屬鋰因性質(zhì)活潑而易于著火燃燒，因而影響了應用。為此，研究出用碳素體等作負極載體的鋰離子電池，使上述問題得以避免，現(xiàn)已成為發(fā)展速度最快的二次電池。另外有些新能源材料在生產(chǎn)過程中也會產(chǎn)生三廢而對環(huán)境造成污染；還有服務期滿后的廢棄物，如核能廢

15、棄物，會對環(huán)境造成污染。這些都是新能源材料科學與工程必須解決的問題。,22 新能源材料的任務及面臨的課題,4）材料規(guī)模生產(chǎn)的制作與加工工藝 在新能源的研究開發(fā)階段，材料組成與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是研究的重點；而材料的制作和加工常使用現(xiàn)成的工藝與設備；到了工程化的階段，材料的制作和加工工藝與設備就成為關(guān)鍵的因素。在許多情況下，需要開發(fā)針對新能源材料的專用工藝與設備以滿足材料產(chǎn)業(yè)化的要求。這些情況包括：大的處理量；高的成品率；高的勞動生產(chǎn)率；材料及部件的質(zhì)量參數(shù)的一致性、可靠性；環(huán)保及勞動防護；低成本。,22 新能源材料的任務及面臨的課題,例如：在金屬氫化物鎳電池生產(chǎn)中開發(fā)多孔態(tài)鎳材的制作技術(shù)；開發(fā)鋰離子電

16、池的電極膜片制作技術(shù)等。在太陽電池方面，為了進一步降低成本，美國能源部撥專款建立稱之為“光伏生產(chǎn)工藝”（Photovoltaic Manufacturing Technology）的項目，力求通過完善大規(guī)模生產(chǎn)工藝與設備使太陽電池發(fā)電成本能與常規(guī)發(fā)電相比擬。,22 新能源材料的任務及面臨的課題,5）延長材料的使用壽命 現(xiàn)代的發(fā)電技術(shù)、內(nèi)燃機技術(shù)是眾多科學家與工程師在幾十年到上百年間的研究開發(fā)成果。用新能源及其裝置對這些技術(shù)進行取代所遇到的最大問題是成本有無競爭性。從材料的角度考慮，要降低成本，一方面要靠從上述各研究開發(fā)要點方面進行努力；另一方面還要靠延長材料的使用壽命。這方面的潛力是很大的。這

17、要從解決材料性能退化的原理著手，采取相應措施，包括選擇材料的合理組成或結(jié)構(gòu)、材料的表面改性等；并要選擇合理的使用條件，如降低燃料中的有害雜質(zhì)含量以提高燃料電池催化劑的壽命就是一個明顯的例子。,三、一些新能源材料的主要進展,新能源材料的種類繁多。因篇幅有限，本專題僅介紹幾個有重大意義且發(fā)展前景看好的新能源材料，即新型二次電池材料、燃料電池材料、太陽電池材料及核能材料。新材料在這些新能源中的功能與取得的進展各不相同，下面我們將進行一些具體的討論。,31 金屬氫化物鎳電池材料,氫能是最清潔的二次能源，儲氫材料的發(fā)現(xiàn)（1970年由Van Vucht首先發(fā)現(xiàn)LaNi5合金具有良好的可逆儲氫性能）、發(fā)展及

18、應用促進了氫能的開發(fā)利用。利用儲氫材料的可逆儲氫性能及伴隨的熱效應和平衡壓特征，可以進行化學能、熱能和機械能等能量交換，具體可以用于氫的高效儲運、電池的負極材料、高純氫氣的制備、熱泵、同位素的分離、氫壓縮機和催化劑等，形成一類新型功能材料。其中，金屬氫化物-鎳電池（MH-Ni）的商業(yè)化是儲氫材料研究成果最有經(jīng)濟價值的突破，而MH-Ni電池的推廣應用又促進了便攜式電器和電動車輛的發(fā)展。,31 金屬氫化物鎳電池材料,儲氫合金作為MH-Ni電池的負極材料應用是由于其具有獨特的儲氫和點化學反應雙重功能。儲氫合金作為MH-Ni電池的負極材料的應用一般需要具備以下主要特征：（1）合金的儲氫容量較高，平臺壓

19、力適中，對氫的陽極氧化具有良好的電催化性能；（2）在氫的陽極氧化電位范圍內(nèi)，合金具有較強的抗氧化性能；（3）在反復充放電循環(huán)過程中，合金的抗粉化性能優(yōu)良。（4）在強堿性電解質(zhì)溶液中，合金組份的化學性質(zhì)穩(wěn)定；（5）合金具有良好的電和熱的傳導性；（6）合金的成本低廉。,31 金屬氫化物鎳電池材料,金屬氫化物鎳（NiMH）電池是一種以儲氫合金作為負極材料的新型二次電池。因其能量密度比NiCd電池高約152倍，且無鎘的污染，現(xiàn)已廣泛用于移動通信、筆記本電腦等各種小型便攜式電子設備，并正在開發(fā)商品化電動汽車的動力源。Ni/MH電池的發(fā)展方向主要是進一步提高電池的能量密度及功率密度，改善放電特性以及提高電

20、池的循環(huán)壽命等。這主要靠所用材料取得的進步。,31 金屬氫化物鎳電池材料,1）正極材料的改善 NiMH電池的容量為正極所限制。進一步改進球形Ni（OH）2正極材料的性質(zhì)對于提高電池的綜合性能有重要意義。對正極材料的研究與開發(fā)著重在：通過材料制備技術(shù)的研究，進一步控制Ni（OH）2的形狀、化學組成、粒徑分布、結(jié)構(gòu)缺陷及表面活性等，從而進一步提高正極的放電容量及循環(huán)穩(wěn)定性等性能。,31 金屬氫化物鎳電池材料,2）AB5型儲氫合金的改進 研究開發(fā)中的儲氫負極合金體系有AB5型混合稀土系合金、AB2型Laves相合金、AB型鈦鎳系合金、A2B型MgNi系合金和釩基固溶體型合金等。其中，由于AB5型混合

21、稀土系合金具有良好的性能價格比，現(xiàn)已成為國內(nèi)外NiMH電池生產(chǎn)中使用最為廣泛的負極材料。對AB5型混合稀土系合金的進一步改進著重在合金的成分、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及表面改性處理等方面，力求進一步提高合金的綜合性能。,31 金屬氫化物鎳電池材料,在合金成分優(yōu)化方面，包括對合金A側(cè)混合稀土的組成(La、Ce、Pr、Nd）的優(yōu)化和對合金B(yǎng)側(cè)的多元合金化（Co、Mn、Al、Cu、Fe等）的替代研究。在對合金結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，已通過快速凝固、定向凝固及合金的熱處理等制備技術(shù)的研究，使合金的成分均勻化，減少或消除了第二相的晶界偏析并使晶粒細化，從而使合金的循環(huán)穩(wěn)定性得到明顯改善。此外，采用熱堿浸漬等方法對合金進行表面改

22、性處理，還可使合金的高倍率放電性能及循環(huán)穩(wěn)定性進一步得到提高。,31 金屬氫化物鎳電池材料,3）新型高容量儲氫電極合金的研究與開發(fā) 由于AB5型混合稀土系儲氫合金的本征儲氫量較低（理論容量約372 mAhg），難以滿足 NiMH電池不斷提高能量密度的需求，因此對各種新型高容量儲氫電極合金的研究與開發(fā)已受到人們廣泛的關(guān)注。其中，AB2型合金的放電容量可比AB5型合金提高約3040，已在美國 OVONIC公司的 NiMH電池中應用。但是 AB2型合金目前還存在初期活化困難以及高倍率放電性能不如 AB5型合金等問題，有待進一步研究與改進。,31 金屬氫化物鎳電池材料,研究開發(fā)中的新型高容量儲氫合金還

23、有非晶態(tài)Mg-Ni系合金（按La1.8Ca0.2Mg14Ni3計算，理論容量近 1000 mAhg）和釩基固溶體型合金（按Ti22V66Ni12計算，理論容量約 800 mAhg）。就其研究水平而言，目前都還存在循環(huán)容量衰退速度較快、電極壽命短等問題，有待于進一步提高。合金成分與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、合金制備技術(shù)及表面改性處理也是進一步提高新型儲氫合金性能的主要研究方向。,31 金屬氫化物鎳電池材料,4）電池的再生利用 隨著NiMH電池產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，人們將面臨著如何處理大量經(jīng)過使用后而失效的NiMH電池廢棄物的問題。通過采用火法或濕法冶金的方法對廢棄電池進行再生處理，不僅可以減少或消除電池廢棄物對環(huán)境

24、的污染，同時還可使電池材料中的稀土元素、鎳鈷等有價金屬得到再生利用。這對于金屬資源的有效利用及降低電池的生產(chǎn)成本均有重要意義。,32 鋰離子二次電池材料,鋰離子電池因有高的比容量而引起人們重視。據(jù)報道，到2000年，鋰離子電池在小型二次電池中已占首位。,32 鋰離子二次電池材料,為了更清楚、準確地理解鋰離子二次電池的工作原理，需要對其用到的下列基本概念有所了解。 電化學比容量：單位質(zhì)量或單位體積的電極活性物質(zhì)所能嵌入或脫嵌的與鋰離子數(shù)目相應的電量； 不可逆容量損失：在充放電過程中，電極的充放電率低于100%，即充電與放電的電化學容量不相等，損失的部分稱為不可逆容量損失；,32 鋰離子二次電池材

25、料,充放電倍率：充放電倍率可定義為I=C/N,其中C為電池的標稱電化學容量值，N為放電小時數(shù)。一個容量為2Ah的電池以20小時放電稱為0.1C。 I值的大小反映了電池充放電的快慢，主要與電池內(nèi)部各種電極過程的速率有關(guān)； 循環(huán)性：即電極材料在反復的充放電過程中保持其電化學容量的能力。電池的循環(huán)性的好壞與電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性有關(guān)；,32 鋰離子二次電池材料,正負極：一般地講，在鋰離子二次電池體系中，定義放電時失去電子的電極為負極，也稱為陽極；放電時得到電子的電極為正極，也稱為陰極。當然，在某些國家，其陽極和陰極的定義與此正好相反。,32 鋰離子二次電池材料,鋰離子電池的發(fā)展方

26、向為：發(fā)展電動汽車用大容量電池；提高小型電池的性能；加快聚合物電池的開發(fā)以實現(xiàn)電池的薄型化。這些方向都與所用材料的發(fā)展密切相關(guān)，特別是與負極材料、正極材料和電解質(zhì)材料的發(fā)展相關(guān)。,32 鋰離子二次電池材料,據(jù)Scientific American,2004年第1期報道，美國阿爾貢國家實驗室電池技術(shù)研發(fā)組已研制成功可用于混合能源汽車和醫(yī)學設備的高性能鋰基電池。課題負責人Khalil Amine生于摩洛哥，在法國接受教育。2002年，他領導一個阿爾貢材料科學家研究小組，在鋰電池設計方面取得了令人矚目的成就。為了制造適用于汽油電力混合能源汽車的電池（要求很高的峰值動力），他們優(yōu)化了鋰錳的化學組成，與

27、基于鈷和鋰的替代方案相比，鋰錳電池具有固有的安全性。,32 鋰離子二次電池材料,而且，錳晶體預期更為耐用，降低了更換車用電池的費用。研究人員還改進了基于鋰、鐵和磷酸鹽的電池，以適用植入型的醫(yī)學設備，這里的難點是能量儲存，而不是峰值能量。目前的人體植入電池只能用3年，而阿爾貢的新電池有望使用10年。這一時間足以保證所謂“微刺激器”的可行性。,32 鋰離子二次電池材料,1）碳負極材料 早在1965年就開始使用金屬鋰作負極，并曾投入批量生產(chǎn)，但由于此種電池在對講機中突發(fā)短路，使用戶燒傷，因而被迫停產(chǎn)并收回出售的電池。研究表明，這是由于金屬鋰在充放電過程中形成樹枝狀沉積造成的?，F(xiàn)在實用化的電池是用碳負

28、極材料，靠鋰離子的嵌入或脫嵌而實現(xiàn)充放電，從而避免了上述不安全問題。目前，使用的碳材料有硬碳、天然石墨或中間相微珠等。通過對不同碳素材料在電池中的行為研究，使碳負極材料得到優(yōu)化。,32 鋰離子二次電池材料,2）納米合金材料 為了克服金屬鋰負極的安全性，曾研究了許多種合金體系。雖然一些鋰合金可以避免枝晶生長，但經(jīng)過多次充放電，由于體積的變化致使負極粉化，造成電池性能變壞。最近發(fā)現(xiàn)納米級的Sn及SnSb、SnAg等金屬間化合物可使電池的循環(huán)性能得到明顯改善，有望在將來用于電池生產(chǎn)。,32 鋰離子二次電池材料,3）正極材料 目前使用的正極材料為LiCoO 2。就現(xiàn)狀來說，人們已對此種化合物的晶體結(jié)構(gòu)

29、、化學組成、粉末粒度及粒度分布等因素對電池性能的影響進行了深入研究。在此基礎上使電池性能得到改善。為了降低成本，提高電池的性能，還研究用一些金屬取代金屬鈷的方案。研究較多的是LiMn2O4，目前正針對其高溫下性能差的缺點進行改進?，F(xiàn)在研究的還有雙離子傳遞型聚合物正極材料。,32 鋰離子二次電池材料,4）電解質(zhì)材料 研究集中在非水溶劑電解質(zhì)方面，這樣可得到高的電池電壓。重點是針對穩(wěn)定的正負極材料調(diào)整電解質(zhì)溶液的組成，以優(yōu)化電池的綜合性能。還發(fā)展了在電解液中添加SO2和CO2等方法以改善碳材料的初始充放電效率。三元或多元混合溶劑的電解質(zhì)可以提高鋰離子電池的低溫性能。開發(fā)聚合物電解質(zhì)是鋰離子電池的重

30、要方向，它關(guān)系到薄型電池的發(fā)展。,33 太陽電池材料,太陽能為人類最主要的可再生能源。一方面太陽每年照射到地球上的能量遠遠超過人類所消耗的能源總量；另一方面這巨大的能量卻分散到整個地球表面，單位面積接受的能量強度不高。因此太陽電池發(fā)展的制約因素有：接受面積的問題，如太陽電池成為主要能源則需要相當龐大的接受面積；能量按時間分布不均的問題，即有晝夜之分，又有季節(jié)之分；電池材料的資源問題，大量應用需要百萬噸到上億噸的半導體材料；成本問題。,33 太陽電池材料,結(jié)合上述因素，太陽電池材料的發(fā)展主要圍繞著提高轉(zhuǎn)換效率、節(jié)約材料消耗、降低成本等問題進行研究。主要有以下進展： 1）發(fā)展材料工藝，提高轉(zhuǎn)換效率

31、 材料工藝包括材料提純工藝、晶體生長工藝、晶片表面處理工藝、薄膜制備工藝、異質(zhì)結(jié)生長工藝、量子阱制備工藝等。通過上述研究與發(fā)展，使太陽電池的轉(zhuǎn)換效率不斷提高。目前，單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率已達23.7，多晶硅電池達18.6，砷化鎵基電池達33。,33 太陽電池材料,2）發(fā)展薄膜電池，節(jié)約材料消耗 目前大量應用的為晶體硅電池。此種材料屬間接禁帶結(jié)構(gòu)，需較大厚度（一般為 200 300m）才能充分吸收太陽能。而薄膜電池，如砷化鎵電池、硫化鎘電池、非晶硅電池，則只需12m的有源層厚度，這樣可大幅度降低材料消耗。最近，多晶硅薄膜電池的有源層厚度又降到 50m，同時使用襯底剝離技術(shù)，使襯底可多次使用。這些都

32、是節(jié)約材料的途徑。,33 太陽電池材料,3）材料的大規(guī)模加工技術(shù) 提高太陽電池成本競爭能力的途徑之一是擴大生產(chǎn)規(guī)模。其中材料制備與加工規(guī)模是關(guān)鍵性的，為此研究開發(fā)大生產(chǎn)的工藝與設備。例如，使用開發(fā)成功的每爐超過 200 kg的鑄錠設備生產(chǎn)多晶硅錠，既提高了生產(chǎn)效率，又增大了材料的實收率；采用線切割機切硅晶片，可使材料切割的損耗降低10個百分點以上。目前生產(chǎn)的太陽電池的 7080是晶體硅太陽電池，它們使用的原料為生產(chǎn)半導體器件用晶體的頭尾料及等外品。隨著太陽電池生產(chǎn)規(guī)模的擴大，必須批量生產(chǎn)太陽能級硅，它在純度上和成本上都應滿足太陽電池的需求，目前正在研究開發(fā)中。,33 太陽電池材料,4）與建筑相

33、結(jié)合 解決太陽電池占地面積問題的方向之一是與建筑相結(jié)合。除了建筑物的屋頂可架設太陽電池板之外，將太陽電池做在建筑材料上是值得重視的?，F(xiàn)在已用非晶硅太陽電池做在屋頂瓦、半透明或不透明垂直幕墻。窗用玻璃等建筑材料上。這顯然是材料工藝與設備發(fā)展的結(jié)果。 問題：上述太陽電池材料能全部吸收太陽光嗎？,染料敏化納米晶薄膜太陽電池,1991年和1993年，瑞士的Michael Gratzel 教授先后在Nature 和 Journal of the American Chemical Society 上發(fā)表論文，報道了一種全新的太陽電池-染料敏化納米晶薄膜太陽電池。它制作方法簡單，成本低，光電轉(zhuǎn)換效率超過了

34、10%。這一轉(zhuǎn)換效率可以和非晶硅太陽能電池相比，并且也是目前唯一可以和非晶硅電池競爭的侯選者。而這種基于納米半導體晶體材料和工藝的新型電池因具有進一步提高效率和降低成本的潛在優(yōu)勢而一直得到高度重視，染料敏化納米晶薄膜太陽電池已經(jīng)成為太陽電池研究領域的一個新的熱點。,染料敏化納米晶薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu),染料敏化納米晶薄膜太陽電池主要由以下幾部分組成：透明導電玻璃（TCO）納米（TiO2）多孔半導體薄膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)和反電極。 在太陽電池中，光電轉(zhuǎn)換過程通?？煞譃楣饧ぐl(fā)產(chǎn)生電子空穴對、電子空穴對的分離、向外電路的輸運等三個過程。,染料敏化納米晶薄膜太陽電池的工作原理,染料敏化納米晶太陽電池的

35、工作原理和傳統(tǒng)的pn結(jié)太陽電池不同，在染料敏化納米晶太陽電池中，光的捕獲和電荷的傳輸是分開進行的。光的捕獲是由染料分子完成的，染料分子吸收光子后，處在激發(fā)態(tài)的染料分子產(chǎn)生了中心離子到配體的電荷遷移，電子通過配體注入到二氧化鈦的導帶，再通過多孔的二氧化鈦薄膜傳輸?shù)焦怅枠O，從外電路通過負載傳輸?shù)椒措姌O，同時染料分子被電解質(zhì)中的I離子還原，實現(xiàn)了電荷的分離。電解質(zhì)中的氧化還原電對將空穴傳輸?shù)椒措姌O，與電子復合，完成一個循環(huán)。,染料敏化納米晶薄膜太陽電池目前研究的重點,新型高效敏化劑的合成 ： 開發(fā)新染料的主要目的是：使染料能在全可見光譜范圍和近紅外光譜區(qū)吸收光子能量，并具有高的量子產(chǎn)率。,染料敏化納

36、米晶薄膜太陽電池目前研究的重點,電解質(zhì)： 電解質(zhì)體系的主要功能除了復原染料和傳輸電荷外，還能改變二氧化鈦、染料及氧化還原電對的能級，改變體系的熱力學和動力學特性，對光電壓影響很大。為提高電池的光電性能，人們在電解質(zhì)體系中進行了很多的研究工作，得出了不少有意義的結(jié)果。 研究制備出電導率和離子傳導率高，電極電位與染料能級匹配，與二氧化鈦納米晶以及對電極界面結(jié)合性能良好的高分子固體電解質(zhì)或準固體電解質(zhì)是目前研究的重點課題之一。,染料敏化納米晶薄膜太陽電池目前研究的重點,多孔膜的制備 ： 多孔膜是納米晶染料敏化太陽電池的骨架部分。它不僅是染料分子的支撐和吸附載體，同時也是電子的傳輸載體。納米晶多孔膜的

37、最大特點是它具有大的總表面積，如10m厚的納米晶多孔膜的總表面積比其幾何面積大1000倍。另外多孔膜中的孔的連通性也是多孔膜結(jié)構(gòu)的一個重要指標，這關(guān)系到電解質(zhì)中氧化還原電對的有效傳輸。目前，實驗室中廣泛使用的制膜方法有：刮涂法（doctor-blade）、旋涂法（spin coating ）、和逐層沉積法（layer by layer deposition）等,染料敏化納米晶薄膜太陽電池存在問題,染料敏化納米晶太陽電池目前存在的主要問題是效率和穩(wěn)定性的最優(yōu)化。這包括兩個方面： （1）液體染料敏化太陽電池的長期穩(wěn)定性，主要是封裝技術(shù)問題，解決電解質(zhì)的泄露和變性問題； （2）固態(tài)電解質(zhì)染料敏化納米

38、晶太陽電池效率低的問題。,34 核能材料,核反應堆可分為裂變反應堆和聚變反應堆兩大類。裂變反應堆已大量應用，對其材料的研究除了優(yōu)化商品堆的性能外，主要為了滿足新型堆的需要，如滿足高溫氣冷堆和快中子增殖堆的要求。聚變堆離實際應用還有相當?shù)木嚯x，核能界公認聚變堆材料是技術(shù)難點之一。當前，核能材料研究發(fā)展的重點有以下幾方面：,34 核能材料,1）包殼材料 包殼材料的主要功能是在裂變堆中將燃料與冷卻劑分開。對它的技術(shù)要求是應具備低的中子吸收截面、良好的抗輻照性能、與燃料相容性好、滿意的耐蝕性、足夠的力學性能等，已使用的有鋁合金、鋯合金、鎂合金、不銹鋼等。研究的重點是快中子增殖堆，這是因為一方面是裂變密

39、度高，另一方面是熔融鈉的溫度介于 525 K975 K之間，容易使包殼材料產(chǎn)生眾多的結(jié)構(gòu)缺陷，從而導致力學性能劣化。,34 核能材料,目前快堆多采用316型奧氏體不銹鋼及其改進型，正在研究的有鐵素體不銹鋼、鎳基合金、氧化物彌散強化合金等。在現(xiàn)在運行的水冷堆中多采用鋁合金作包殼材料。在三里島事故后，考慮到大破口失水事故的危險性，人們又在探討用不銹鋼取代鋁合金的問題，此項工作正在進行中。在空間用的熱離子反應堆中，兼作支持極的包殼的溫度可達 1500，多選用難熔金屬鎢、鉬等。,34 核能材料,2）核燃料 核燃料一方面要在核素組成方面滿足核反應的要求，另一方面應具備符合反應堆要求的具體形狀，如圓柱形、

40、板狀、顆粒狀等。高溫氣冷堆的溫度很高，要求使用包覆型顆粒，即在氧化物核燃料小球的表面用熱裂解碳或碳化物包覆。此種顆粒的破損率會直接影響高溫氣冷堆的運行?，F(xiàn)在正在研究用碳化鋯進行包覆以提高堆的工作性能。,34 核能材料,3）聚變堆的第一壁材料 它是聚變堆技術(shù)中要求最苛刻的材料。第一壁是托克馬克型聚變堆包容等離子區(qū)和真空區(qū)的部件。它要經(jīng)受 14 MeV中子及其他高能帶電粒子的轟擊，其輻照效應比裂變堆所經(jīng)受的要強得多，而且14MeV中子不僅會在材料中產(chǎn)生離位損傷，而且所造成的中子嬗變反應會產(chǎn)生大量的氫、氦等氣體及其他雜質(zhì)。由于第一壁與等離子體之間會發(fā)生強烈的相互作用，引起材料的嚴重剝蝕，所以第一壁的

41、結(jié)構(gòu)是由兩種材料組成的，包括等離于體面向材料和結(jié)構(gòu)材料。前者的研究對象主要有鈹、鎢、鎢合金及復合材料，后者有不銹鋼、釩合金及復合材料等。,34 核能材料,4）核廢料的處理 在反應堆的運行和退役階段均產(chǎn)生具有不同放射性的核廢料。其中高放射性核廢料最難處理。一方面由于其放射性強，而且有些核素具有幾萬年或更長的半衰期。如何保證這些放射性物質(zhì)長期不擴散到生物圈中？一直是困擾核能利用的一大難題。最近正在研究利用核反應“焚燒” 這種廢物，使之轉(zhuǎn)化為無放射性或短半衰期的核素。,細菌電池,數(shù)十年來，研究人員試圖將垃圾和污水中富含的糖類，轉(zhuǎn)變成像酒精一樣的燃料，用來燃燒發(fā)電。 美國馬薩諸塞大學的科學家們發(fā)明了一

42、種極具效率的方式，省去中間步驟，直接將糖轉(zhuǎn)化為電能。他們利用的是一種從海泥中提取的親糖微生物Rhodoferax ferrireducens. 這種桿菌會奪取糖分子的電子，并將這些負電荷轉(zhuǎn)移到石墨電極上，以高于80%的能量轉(zhuǎn)換效率來發(fā)電，持續(xù)數(shù)天。以前的微生物電池最多只有50%的電能轉(zhuǎn)化率，而且要用到不穩(wěn)定的成份，因此并不適用于長期發(fā)電。研究人員在2003年10月號的“自然與生物技術(shù)”中指出，如果改進新型電池的電極，應該可以再提高功率輸出。,3 .5 燃料電池材料,燃料電池在固定與分散電站、交通運輸、移動電源等方面廣泛的應用前景現(xiàn)已得到許多研究單位和公司的廣泛關(guān)注。這里簡要介紹幾種主要類型燃料

43、電池的特點、研究狀況、市場需求和技術(shù)挑戰(zhàn)。 堿性燃料電池（Alkaline Fuel cellAFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel CellPAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel CellMCFC）、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel CellSOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel CellPEMFC）、直接醇類燃料電池（Direct Alcohol Fuel CellDAFC).,3 .5 燃料電池材料,燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的電化

44、學反應裝置一節(jié)燃料電池由陽極、陰極和電解質(zhì)隔膜構(gòu)成燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，從而完成整個電化學反應電解質(zhì)隔膜的功能為分隔燃料和氧化劑并起到離子傳導的作用。 1839年，英國科學家Grove首先介紹了燃料電池的原理性實驗約100年后，Bacon采用多孔氣體擴散電極制備了培根型堿性燃料電池20世紀 60年代，燃料電池首次應用在美國航空航天管理局（NASA）的阿波羅登月飛船上作為輔助電源，為人類登月球做出了積極貢獻，燃料電池的研究進入了快速發(fā)展階段后來稱這一時期為燃料電池開發(fā)的空間時代（Space era）,3 .5 燃料電池材料,1973年，在全球能源危機的刺激下，為了提高能源利用率，研究

45、重點從航天轉(zhuǎn)向地面發(fā)電裝置，磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）以及直接采用天然氣、煤氣和碳氫化合物作燃料的固體氧化物燃料電池（SOFC）作為固定電站或分散式電站相繼問世，燃料電池的研究與開發(fā)掀起了新高潮，這一時期稱為燃料電池開發(fā)的能源時代（energy era）。 其后，隨著能源危機的緩解，燃料電池的研究也隨之冷淡下來。80年代末期，環(huán)境污染問題逐步惡化，1987年美國公布了來自發(fā)電站和交通運輸方面的廢氣，如CO、NOx、SOx、粉塵等的污染物幾乎相等，且總量超過大氣中污染物的90以上，以提高能源利用率，減少環(huán)境污染為目標的燃料電池研究開發(fā)工作引起了各國政府及科學家的重視

46、，促進了燃料電池開發(fā)的環(huán)境時代（environmental era）的到來,3 .5 燃料電池材料,1993年，加拿大Ballard電力公司展示了一輛零排放、最高時速為72kmh、以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為動力的公交車”，引發(fā)了全球性燃料電池電動車的研究開發(fā)熱潮。許多發(fā)達國家相繼投入了大量人力、財力開展以PEMFC為動力電源的電動車、艦船、潛艇、水下機器人等研究與開發(fā)工作，并取得了長足進展。近些年來，由于直接醇類燃料電池（DAFC）的結(jié)構(gòu)簡單，燃料存儲、攜帶方便等特點，在移動電源、微型電源以及傳感器件等方面具有廣闊的應用前景，作為一支新秀已成為燃料電池研究與開發(fā)的新的熱點之一。,3

47、.5 燃料電池材料,燃料電池的特點與技術(shù)狀況： 燃料電池直接將燃料和氧化劑的化學能轉(zhuǎn)換為電能，不受卡諾熱機循環(huán)的限制，只要提供燃料即可發(fā)電，其特點可概括如下： 1）能量轉(zhuǎn)換效率高。理論上講，燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率可高達8590實際電池在工作時由于受各種條件的限制，目前各類燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約在 4060若實現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可達80%以上。,3 .5 燃料電池材料,（2）環(huán)境友好。當燃料電池以富氫氣體為燃料時，其二氧化碳的排放量比熱機過程減少40以上；若以純氫氣為燃料，其化學反應產(chǎn)物僅為水，從根本上消除了CO、NOx、SOx、粉塵等大氣污染物的排放，可實現(xiàn)零排放。 (3)安靜。燃料

48、電池按電化學反應原理工作，運動部件少、工作噪聲低。實驗表明，一個40kW的PAFC電站，與其相距 46m的噪聲水平僅為50dB，而45MW和 11MW的大功率 PAFC電站的噪聲水平也不高于 55dB,聽覺效果與聲音的強弱,舉 例（據(jù)科學2004第一期）,從1990年代中期開始，德國戴姆勒克萊斯勒（Daimler Chrysler）汽車公司在燃料電池車的實際應用開發(fā)中一直處于領先地位。最近，該公司已經(jīng)對第一批燃料電池車進行了運行測試。今年年初起，一些歐洲城市已向戴姆勒克萊斯勒汽車公司預訂了大約30輛燃料電池城市客車?；诿焚惖滤贡捡YA級的汽車也將于今年年底在美國進行測試。燃料電池車使用氫（以壓

49、縮氣體的形式儲存）作為燃料，它與周圍空氣中的氧進行化學反應，生成物只有水而無任何其它有害氣體。這樣，燃料電池車美國加州委托的零煙霧、零溫室氣體排放的目標，第一輛燃料電池車將作為美國能源部的送貨車，并在美國總統(tǒng)環(huán)保署設在密歇根州奧本山的加氫站補充燃料。,德國戴姆勒克萊斯勒（Daimler Chrysler）燃料電池樣車,加拿大ZECA聯(lián)合公司和美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室宣稱將煤轉(zhuǎn)化為氫燃料的過程推向市場,北美擁有豐富的煤儲量，傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電廠向空中排放大量二氧化碳和其它溫室氣體。近幾年來，美國洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國家實驗室針對發(fā)電提出了煤碳零排放概念。這一過程首先要將煤轉(zhuǎn)化為甲烷

50、，然后再重構(gòu)生成氫和碳酸鈣。氫用于燃料電池以產(chǎn)生電能，碳酸鈣則分解為氧化鈣和二氧化碳。二氧化碳再通過化學反應轉(zhuǎn)變?yōu)榈V物質(zhì)（碳酸鎂）埋入地下。本質(zhì)上，碳又以礦物質(zhì)的形式重新回到大地。這一過程的有效率達70%，差不多是目前燃煤電廠的兩倍。1999年，成立了一個由能源公司和研究機構(gòu)組成的共同體“煤碳零排放聯(lián)盟”（ ZECA），2001年，以贏利為目的的ZECA聯(lián)合公司取代該聯(lián)盟，目前正從事試驗工廠的設計和建設。,加拿大ZECA聯(lián)合公司和美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室宣稱將煤轉(zhuǎn)化為氫燃料的過程推向市場,3 .5 燃料電池材料,（4）可靠性高AFC和PAFC作為空間電源、各種應急電源和不間斷電源以及分散式電

51、站的實際運行均證明了燃料電池的高度可靠性。 正是由于這些突出的優(yōu)越性，燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)備受各國政府與公司的青睞，被認為是二十一世紀首選的、潔凈的、高效的發(fā)電技術(shù)各種燃料電池的發(fā)展與具體的研究與開發(fā)狀況已有專門報道，其技術(shù)狀況如表1所示。,最新研究進展,據(jù)最近報道，美國威斯康星麥迪遜大學James A. Dumesic開發(fā)了從植物中獲取氫燃料的一種很經(jīng)濟的催化方法。 近年來，人們?yōu)榱舜龠M寄予厚望的氫經(jīng)濟時代的早日到來，一直在尋找廉價的制氫方法。 Dumesic 開發(fā)了一種能夠?qū)⒅参镏械奶妓衔镏苯愚D(zhuǎn)化為氫的催化方法。由于該過程在較低溫度的液相下進行，與其他正在研究的方法相比，節(jié)能效果顯

52、著。 Dumesic在2002年使用鉑作為反應的催化劑，2003年改為便宜得多的鎳錫合金。處理過程的主要副產(chǎn)品是水和二氧化碳。雖然二氧化碳是一種溫室氣體，但由于植物在后面的能量循環(huán)中能將它們完全吸收，因此不會凈增加溫室氣體。（自Scientific American,Vol.289 (2003) No.5）,3 .5 燃料電池材料,3 燃料電池的市場需求與技術(shù)挑戰(zhàn) 世界石油儲量與快速消耗的矛盾迫使各國政府千方百計地尋求新能源和提高現(xiàn)有資源的利用率以確保社會的繁榮昌盛與國家的長治久安；隨著環(huán)境污染問題越來越受到重視，迫切需求新型無污染或零排放的交通運輸工具。高能量密度、便攜式的移動電源不僅在國防

53、建設和國家安全領域需求迫切，而且在移動通訊、微型動力源等民用方面也具有廣闊的應用前景。,3 .5 燃料電池材料,然而，燃料電池的商業(yè)化仍需克服技術(shù)、經(jīng)濟等方面的障礙。電池先進材料的開發(fā)制造技術(shù)、電池核心部件的制備組裝技術(shù)以及以降低造價、延長壽命、提高可靠性為目的的電池系統(tǒng)及其子系統(tǒng)，如燃料處理、氫氣儲運、水熱管理、熱電聯(lián)用、系統(tǒng)的監(jiān)測與控制等都是制約燃料電池商業(yè)化的重要因素。就目前的技術(shù)狀況而言,燃料電池的市場需求可能來源于以下幾個方面：,3 .5 燃料電池材料,3.1固定電站和分散式電站 目前的技術(shù)挑戰(zhàn)是改進MCFC的關(guān)鍵材料與制備技術(shù)，隔膜是該電池的核心部件。早期的MCFC主要采用氧化鎂隔

54、膜，由于氧化鎂在熔鹽中可微弱溶解，制備的隔膜易于破裂，現(xiàn)普遍采用帶鑄法制備偏鋁酸鋰電池隔膜，改善了離子電導率和抗碳酸熔鹽腐蝕，但電池關(guān)鍵材料的腐蝕等問題依然存在，電池使用壽命與商業(yè)化要求尚有很大差距。,3 .5 燃料電池材料,SOFC有管型和平板型兩種結(jié)構(gòu)。工作溫度約為9001000。德國的Siemens Westinghouse Power Corporation已經(jīng)制造和運行了多套功率為220 kW的管式SO）FC電站，并形成了每年4 MW的生產(chǎn)能力，該電池的壽命預期為10年，未來商品化的壽命預期為1020年。加拿大的Global熱電公司的研發(fā)方向為中溫平板型SOFC，主要面向分散供電、家

55、庭熱電聯(lián)供市場。目前該公司已經(jīng)形成每年1MW的生產(chǎn)能力，并開始向市場提供5 kW輔助電源。德國、法國、荷蘭、英國、西班牙、丹麥等多個國家也先后開展了SOFC的研究與開發(fā)。,3 .5 燃料電池材料,管型SOFC主要特點是電池組裝相對簡單，缺點是電流通過電池的路徑較長，電阻較大，限制了SOFC的性能。平板式SOFC的優(yōu)點是制備工藝簡單，造價低，由于電流收集均勻，流程路徑短，其輸出功率密度高于管式。主要缺點是密封困難、抗熱循環(huán)性能較差及難以組裝成大功率電池組。值得關(guān)注的是近些年來SOFC發(fā)展趨勢是600到800的中、低溫電池組，工作溫度的降低，可以在很大程度上拓展電池材料的選擇范圍。 提高電池運行的

56、穩(wěn)定性和可靠性、降低電池系統(tǒng)的制造和運行成本、開發(fā)在氧化還原氣氛中具有足夠的穩(wěn)定性、離子電導率高、與其他電池材料具有化學相容性的電解質(zhì)隔膜仍然是SOFC的研究重點。,3 .5 燃料電池材料,美國能源部、國防部和 NASA對SOFC和 MCFC兩種燃料電池的研發(fā)高度重觀，2003年美國財政年度計劃投資47，000，000，其中約11，500，000用于開發(fā)中央電站發(fā)電技術(shù)，其余的資金用于分散電站的開發(fā) 32交通運輸?shù)葎恿﹄娫?就目前的技術(shù)狀況而言，PEMFC在交通、運輸、低容量分散型電站等方面具有良好的市場前景，如電動車、潛艇的動力電源以及海島、礦山、醫(yī)院、商店等使用的移動電源。,3 .5 燃料

57、電池材料,繼加拿大Balard電力公司1993年成功地演示了PEMFC電動巴士以來，國際上著名的汽車公司對PEMFC給予了高度重視，不同類型的概念車相繼問世，如戴姆勒一克來斯勒公司的Necar 1-5型，雷諾公司的Laguna型、福特公司的P2000型、馬自達公司的Demio型、豐田公司的RAV4型以及大眾、通用、尼桑公司的概念車均采用PEMFC為單一動力或混合動力，在電池系統(tǒng)和整車研制方面取得了可喜的成就。,3 .5 燃料電池材料,P2000型電動轎車以高壓（2482MPa）純氫氣體為燃料，三臺 Mark700型25kW PEMFC置于轎車后部行李箱底層，兩個41L的碳纖維增強的貯氫罐置于轎

58、車后部行李箱上層，空氣過濾與增壓部分置于轎車前部，整個系統(tǒng)重 295 kg，轎車前輪驅(qū)動部分由電機、逆變器、場矢量控制組成，DC-DC轉(zhuǎn)換器，12 V輔助蓄電池等部件均置于轎車前部，總重114kg，該車時速大于 80kmh，從零加速至 30kmh、60km/h分別為4.2s和 12.3s，可與內(nèi)燃機車相媲美并具有較高的能量利用效率。Necar5電動轎車以車載甲醇重整制氫為燃料，發(fā)動機功率為75kW，最高時速達152160kmh，一次加甲醇（55加侖）可行駛640720km。,3 .5 燃料電池材料,PEMFC另一個巨大的市場是潛艇動力源。核動力潛艇由于其造價高、退役時核動力設備處理較難等一系列

59、問題不可能大量建造，而常規(guī)的柴油機和鉛酸電池為動力的潛艇工作時的噪聲、發(fā)熱以及通氣管等使得潛艇的隱蔽性與安全性受到嚴重威脅。因此，研究不依賴空氣、可在水下長時間航行，并能完成各種任務的非核動力潛艇已勢在必行。德國Semens公司已建造了四艘以 300kW PEMFC為動力的混合驅(qū)動型潛艇，計劃用作德國海軍新型 212型潛艇的動力電源。以 PEMFC為動力的潛艇續(xù)航能力比斯特林發(fā)動機約長一倍，大大增強了潛艇的水下續(xù)航能力與作戰(zhàn)能力，并提高了安全性與隱蔽性.,3 .5 燃料電池材料,其他應用市場，如無纜水下機器人、家庭用分散電站、移動電源、不間斷電源等也正在積極的開發(fā)中。隨著PEMFC技術(shù)的日臻完善和成本的不斷降低，新的應用市場也必將顯露和開發(fā)出來。 從技術(shù)層面講，目前有關(guān) PEMFC關(guān)鍵材料如催化劑、電極、質(zhì)子交換膜、雙極板等均取得了長足的進展，多孔電極、電池、電池組的制備組裝技術(shù)也日臻完善。目前主要的技術(shù)挑戰(zhàn)可能來源兩個方面，一是燃料電池普遍存在的成本較高問題，就PEMFC而言，由于電極使用的均為鉑基電催化劑，除了成本較高外還存在該貴金屬的資源有限問題；質(zhì)子交換膜、雙極板等關(guān)鍵材料的成本也居高不下。