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(wù)及主要進(jìn)展,新能源與新能源材料的任務(wù)及主要進(jìn)展,人類社會(huì)發(fā)展對(duì)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(jìn)展,幾個(gè)基本概念,能源：產(chǎn)生機(jī)械能、熱能、光能、電磁能、化學(xué)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(guó)防、科學(xué)技術(shù)以及改善人民生活所必需的燃料和動(dòng)力來源。,幾個(gè)基本概念,一次能源：亦稱為“初級(jí)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?？煞譃樵从谔?yáng)的能量，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水

2、能、生物質(zhì)能、海洋能以及煤炭、石油、天然氣、油頁(yè)巖等化石燃料；地?zé)崮埽缓四?；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(xué)技術(shù)的發(fā)展，常對(duì)其加工或轉(zhuǎn)換使之成為二次能源，以適應(yīng)工藝或環(huán)境保護(hù)的需要，以及便于使用、輸送和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等。,幾個(gè)基本概念,二次能源：也稱“次級(jí)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(diǎn)。二次能源的利用程度與一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)、國(guó)防等因素有關(guān)。,幾個(gè)基本概念,可再生能源：簡(jiǎn)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(bǔ)充，不會(huì)枯竭的一次能源。包括太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能和地?zé)崮艿取?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(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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(zhǎng)的地質(zhì)年代才能形成的資源。對(duì)于不可再生能源的開發(fā)利用，不能任意破壞和浪費(fèi)。,一、人類社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的需求和面臨的挑戰(zhàn),能源與人類社會(huì)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(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境和自然資源，這是人類進(jìn)入二十一世紀(jì)后所面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。于是，科學(xué)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(fù)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(duì)我國(guó)尤其重要，是我國(guó)必須得到很好解決的重大課題。人類社會(huì)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(fèi)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。,1-1 工業(yè)文明刺激能源需求持續(xù)增長(zhǎng),1-1 工業(yè)文明刺激能源需求持續(xù)增長(zhǎng),從表中可以看出，世界能源消費(fèi)的增長(zhǎng)率雖然波動(dòng)較大，但是總趨勢(shì)是保持正增長(zhǎng)。這兒有三個(gè)主要原因：一是世界經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，二是能源技術(shù)發(fā)展的刺激，三是世界人口的增長(zhǎng)。

5、據(jù)聯(lián)合國(guó)的有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，1990年全球人口為53億，預(yù)計(jì)到2020年人口將增加到81億，屆時(shí)能源消費(fèi)將增加一倍。 另一方面，科技進(jìn)步使單位GDP（國(guó)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(dá)國(guó)家單位GDP能耗下降的情況。可以看出，在16年間單位GDP能耗降低了2040%。我國(guó)的單位GDP能耗高出美國(guó)一倍以上。這表明我國(guó)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(fèi)的另一個(gè)趨勢(shì)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(jìn)步，另一方面也反映出產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和社會(huì)生活的變化。表0-2給出了世界能源消費(fèi)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(fèi)中占據(jù)首位，天然氣的消耗比例也在增加。我國(guó)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(yīng)用形態(tài)看，小型分立的可移動(dòng)電源的需求增長(zhǎng)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(jì)算機(jī)、手提電話等移動(dòng)通信、攝象機(jī)、聲像設(shè)備以及一些軍用電子設(shè)備等的發(fā)展，對(duì)電池的能量密度要求更高，并要求能反復(fù)使用。因此，促進(jìn)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(shí)，但何時(shí)出現(xiàn)枯竭，預(yù)測(cè)卻不相同。表03

7、列出1992年世界能源大會(huì)提供的調(diào)查資料。此表動(dòng)態(tài)地預(yù)測(cè)了資源及需求的變化。對(duì)21世紀(jì)而言，原油和天然氣資源與需求的形勢(shì)是比較嚴(yán)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(shí)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(duì)人的健康有害，如煙塵、三四苯并芘、二氧化硫等；有的對(duì)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(dāng)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(shí)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(zhǎng)， 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(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)1990年已達(dá)59億噸碳，如不采取有效措施，到2020年將達(dá)84億噸碳。 （2）發(fā)達(dá)國(guó)家的釋放量占大部分?，F(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)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(dá)國(guó)家占90%。 （3）發(fā)展中國(guó)家的排放量增長(zhǎng)速度從70年代開始加快，進(jìn)入

9、80年代以來增長(zhǎng)速度已超過發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)所屬的IPCC(Inter-governmental Panel on Climate Change，政府間氣候變化委員會(huì)）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(rèn)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(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)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(guó)際會(huì)議的討論與準(zhǔn)備工作，1997年在京都召開的聯(lián)合國(guó)氣候變化框架會(huì)議第三次參加國(guó)會(huì)議的議定

10、書上，規(guī)定簽字國(guó)必須在2008年2012年嚴(yán)格將溫室氣體的排放量降低到規(guī)定指標(biāo)。這個(gè)任務(wù)非常艱巨，要從節(jié)能、提高能源效率、設(shè)法吸收大氣中的CO2和擴(kuò)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(dòng)。太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、核能（新型反應(yīng)堆）、風(fēng)能、地?zé)?、海洋能等一次能源和二次能源中的氫能等被認(rèn)為是新能源，其中氫能、太陽(yáng)能、核能是有希望在21世紀(jì)得到廣泛應(yīng)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(yīng)、光伏效應(yīng)等）來發(fā)展新的能源系統(tǒng)，同時(shí)還必須靠新材料的開發(fā)與應(yīng)用，才能使新

11、的系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)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(xí)用已久的能源變成新能源。例如從古代起，人類就使用太陽(yáng)能取暖、烘干等，現(xiàn)在利用半導(dǎo)體材料才把太陽(yáng)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(yīng)而直接產(chǎn)生電能，并有望在電動(dòng)汽車中得到應(yīng)用。,21 材料的作用,（2）一些新材料可提高儲(chǔ)能和能量轉(zhuǎn)化效果。如儲(chǔ)氫合金可以改善氫的存儲(chǔ)條件，并使化學(xué)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(chǔ)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(yīng)堆的性能與安全性

12、。新型反應(yīng)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(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)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(yùn)行成本。例如，太陽(yáng)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(shè)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(yīng)用的關(guān)鍵。,22 新能源材料的任務(wù)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(wù)。作為材料科學(xué)與工程的重要組成部分，新能源材料的主要研究?jī)?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(diǎn)，新能源材料研究開發(fā)的重點(diǎn)有以下幾方面。,22 新能源材料的任務(wù)及面臨的課題,1）研究新材料、新結(jié)構(gòu)、新效應(yīng)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(dǎo)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(yáng)電池的效率、壽命與耐輻照性能等。,22 新能源材料的任務(wù)及面臨的課題,2）資源的合理利用 新能源的大量應(yīng)用必然涉及到新材料所需原料的資源問題。例如，太陽(yáng)電池若能部分地取代常規(guī)發(fā)電，所需的半導(dǎo)體材料要在百萬(wàn)噸以上，對(duì)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(shí)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(yīng)用中必須解決的課題。當(dāng)新能源發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)，還必須考慮廢料中有價(jià)元素的回收工藝與循環(huán)使用。,22 新能源材料的任務(wù)及面臨的課題,3）安全與環(huán)境保護(hù) 這是新能源能否大規(guī)模應(yīng)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(yīng)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(yīng)用。為此，研究出用碳素體等作負(fù)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(huì)產(chǎn)生三廢而對(duì)環(huán)境造成污染；還有服務(wù)期滿后的廢棄物，如核能廢

15、棄物，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。這些都是新能源材料科學(xué)與工程必須解決的問題。,22 新能源材料的任務(wù)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(diǎn)；而材料的制作和加工常使用現(xiàn)成的工藝與設(shè)備；到了工程化的階段，材料的制作和加工工藝與設(shè)備就成為關(guān)鍵的因素。在許多情況下，需要開發(fā)針對(duì)新能源材料的專用工藝與設(shè)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(dòng)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(dòng)防護(hù)；低成本。,22 新能源材料的任務(wù)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(yáng)電池方面，為了進(jìn)一步降低成本，美國(guó)能源部撥專款建立稱之為“光伏生產(chǎn)工藝”（Photovoltaic Manufacturing Technology）的項(xiàng)目，力求通過完善大規(guī)模生產(chǎn)工藝與設(shè)備使太陽(yáng)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(wù)及面臨的課題,5）延長(zhǎng)材料的使用壽命 現(xiàn)代的發(fā)電技術(shù)、內(nèi)燃機(jī)技術(shù)是眾多科學(xué)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(duì)這些技術(shù)進(jìn)行取代所遇到的最大問題是成本有無競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)方面進(jìn)行努力；另一方面還要靠延長(zhǎng)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(yīng)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(gè)明顯的例子。,三、一些新能源材料的主要進(jìn)展,新能源材料的種類繁多。因篇幅有限，本專題僅介紹幾個(gè)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(yáng)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(jìn)展各不相同，下面我們將進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)氫性能）、發(fā)展及

18、應(yīng)用促進(jìn)了氫能的開發(fā)利用。利用儲(chǔ)氫材料的可逆儲(chǔ)氫性能及伴隨的熱效應(yīng)和平衡壓特征，可以進(jìn)行化學(xué)能、熱能和機(jī)械能等能量交換，具體可以用于氫的高效儲(chǔ)運(yùn)、電池的負(fù)極材料、高純氫氣的制備、熱泵、同位素的分離、氫壓縮機(jī)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(chǔ)氫材料研究成果最有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的突破，而MH-Ni電池的推廣應(yīng)用又促進(jìn)了便攜式電器和電動(dòng)車輛的發(fā)展。,31 金屬氫化物鎳電池材料,儲(chǔ)氫合金作為MH-Ni電池的負(fù)極材料應(yīng)用是由于其具有獨(dú)特的儲(chǔ)氫和點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)雙重功能。儲(chǔ)氫合金作為MH-Ni電池的負(fù)極材料的應(yīng)用一般需要具備以下主要特征：（1）合金的儲(chǔ)氫容量較高，平臺(tái)壓

19、力適中，對(duì)氫的陽(yáng)極氧化具有良好的電催化性能；（2）在氫的陽(yáng)極氧化電位范圍內(nèi)，合金具有較強(qiáng)的抗氧化性能；（3）在反復(fù)充放電循環(huán)過程中，合金的抗粉化性能優(yōu)良。（4）在強(qiáng)堿性電解質(zhì)溶液中，合金組份的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；（5）合金具有良好的電和熱的傳導(dǎo)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(chǔ)氫合金作為負(fù)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(dòng)通信、筆記本電腦等各種小型便攜式電子設(shè)備，并正在開發(fā)商品化電動(dòng)汽車的動(dòng)力源。Ni/MH電池的發(fā)展方向主要是進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步改進(jìn)球形Ni（OH）2正極材料的性質(zhì)對(duì)于提高電池的綜合性能有重要意義。對(duì)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(jìn)一步控制Ni（OH）2的形狀、化學(xué)組成、粒徑分布、結(jié)構(gòu)缺陷及表面活性等，從而進(jìn)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(chǔ)氫合金的改進(jìn) 研究開發(fā)中的儲(chǔ)氫負(fù)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(jià)格比，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外NiMH電池生產(chǎn)中使用最為廣泛的負(fù)極材料。對(duì)AB5型混合稀土系合金的進(jìn)一步改進(jìn)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(jìn)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(duì)合金A側(cè)混合稀土的組成(La、Ce、Pr、Nd）的優(yōu)化和對(duì)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(duì)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(xì)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(duì)合金進(jìn)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(jìn)一步得到提高。,31 金屬氫化物鎳電池材料,3）新型高容量?jī)?chǔ)氫電極合金的研究與開發(fā) 由于AB5型混合稀土系儲(chǔ)氫合金的本征儲(chǔ)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(duì)各種新型高容量?jī)?chǔ)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(guó) OVONIC公司的 NiMH電池中應(yīng)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(jìn)一步研究與改進(jìn)。,31 金屬氫化物鎳電池材料,研究開發(fā)中的新型高容量?jī)?chǔ)氫合金還

23、有非晶態(tài)Mg-Ni系合金（按La1.8Ca0.2Mg14Ni3計(jì)算，理論容量近 1000 mAhg）和釩基固溶體型合金（按Ti22V66Ni12計(jì)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(jìn)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(jìn)一步提高新型儲(chǔ)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(duì)廢棄電池進(jìn)行再生處理，不僅可以減少或消除電池廢棄物對(duì)環(huán)境

24、的污染，同時(shí)還可使電池材料中的稀土元素、鎳鈷等有價(jià)金屬得到再生利用。這對(duì)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(bào)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(zhǔn)確地理解鋰離子二次電池的工作原理，需要對(duì)其用到的下列基本概念有所了解。 電化學(xué)比容量：?jiǎn)挝毁|(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(yīng)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(xué)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(biāo)稱電化學(xué)容量值，N為放電小時(shí)數(shù)。一個(gè)容量為2Ah的電池以20小時(shí)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(fù)的充放電過程中保持其電化學(xué)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(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性有關(guān)；,32 鋰離子二次電池材料,正負(fù)極：一般地講，在鋰離子二次電池體系中，定義放電時(shí)失去電子的電極為負(fù)極，也稱為陽(yáng)極；放電時(shí)得到電子的電極為正極，也稱為陰極。當(dāng)然，在某些國(guó)家，其陽(yáng)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?yàn)椋喊l(fā)展電動(dòng)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(shí)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(fù)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(bào)道，美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(xué)設(shè)備的高性能鋰基電池。課題負(fù)責(zé)人Khalil Amine生于摩洛哥，在法國(guó)接受教育。2002年，他領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)阿爾貢材料科學(xué)家研究小組，在鋰電池設(shè)計(jì)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(dòng)力），他們優(yōu)化了鋰錳的化學(xué)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(yù)期更為耐用，降低了更換車用電池的費(fèi)用。研究人員還改進(jìn)了基于鋰、鐵和磷酸鹽的電池，以適用植入型的醫(yī)學(xué)設(shè)備，這里的難點(diǎn)是能量?jī)?chǔ)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(shí)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(fù)極材料 早在1965年就開始使用金屬鋰作負(fù)極，并曾投入批量生產(chǎn)，但由于此種電池在對(duì)講機(jī)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(shí)用化的電池是用碳負(fù)

28、極材料，靠鋰離子的嵌入或脫嵌而實(shí)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(duì)不同碳素材料在電池中的行為研究，使碳負(fù)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(fù)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(zhǎng)，但經(jīng)過多次充放電，由于體積的變化致使負(fù)極粉化，造成電池性能變壞。最近發(fā)現(xiàn)納米級(jí)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L(zhǎng)iCoO 2。就現(xiàn)狀來說，人們已對(duì)此種化合物的晶體結(jié)構(gòu)

29、、化學(xué)組成、粉末粒度及粒度分布等因素對(duì)電池性能的影響進(jìn)行了深入研究。在此基礎(chǔ)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(duì)其高溫下性能差的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)?，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(diǎn)是針對(duì)穩(wěn)定的正負(fù)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(yáng)電池材料,太陽(yáng)能為人類最主要的可再生能源。一方面太陽(yáng)每年照射到地球上的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)地球表面，單位面積接受的能量強(qiáng)度不高。因此太陽(yáng)電池發(fā)展的制約因素有：接受面積的問題，如太陽(yáng)電池成為主要能源則需要相當(dāng)龐大的接受面積；能量按時(shí)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(yīng)用需要百萬(wàn)噸到上億噸的半導(dǎo)體材料；成本問題。,33 太陽(yáng)電池材料,結(jié)合上述因素，太陽(yáng)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(jìn)行研究。主要有以下進(jìn)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(zhǎng)工藝、晶片表面處理工藝、薄膜制備工藝、異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)工藝、量子阱制備工藝等。通過上述研究與發(fā)展，使太陽(yáng)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(dá)23.7，多晶硅電池達(dá)18.6，砷化鎵基電池達(dá)33。,33 太陽(yáng)電池材料,2）發(fā)展薄膜電池，節(jié)約材料消耗 目前大量應(yīng)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(yáng)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(shí)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(yáng)電池材料,3）材料的大規(guī)模加工技術(shù) 提高太陽(yáng)電池成本競(jìng)爭(zhēng)能力的途徑之一是擴(kuò)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(shè)備。例如，使用開發(fā)成功的每爐超過 200 kg的鑄錠設(shè)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(shí)收率；采用線切割機(jī)切硅晶片，可使材料切割的損耗降低10個(gè)百分點(diǎn)以上。目前生產(chǎn)的太陽(yáng)電池的 7080是晶體硅太陽(yáng)電池，它們使用的原料為生產(chǎn)半導(dǎo)體器件用晶體的頭尾料及等外品。隨著太陽(yáng)電池生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，必須批量生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)硅，它在純度上和成本上都應(yīng)滿足太陽(yáng)電池的需求，目前正在研究開發(fā)中。,33 太陽(yáng)電池材料,4）與建筑相

33、結(jié)合 解決太陽(yáng)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(shè)太陽(yáng)電池板之外，將太陽(yáng)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(yáng)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(shè)備發(fā)展的結(jié)果。 問題：上述太陽(yáng)電池材料能全部吸收太陽(yáng)光嗎？,染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)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(bào)道了一種全新的太陽(yáng)電池-染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)電池。它制作方法簡(jiǎn)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(yáng)能電池相比，并且也是目前唯一可以和非晶硅電池競(jìng)爭(zhēng)的侯選者。而這種基于納米半導(dǎo)體晶體材料和工藝的新型電池因具有進(jìn)一步提高效率和降低成本的潛在優(yōu)勢(shì)而一直得到高度重視，染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)電池已經(jīng)成為太陽(yáng)電池研究領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)。,染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu),染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)電池主要由以下幾部分組成：透明導(dǎo)電玻璃（TCO）納米（TiO2）多孔半導(dǎo)體薄膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)和反電極。 在太陽(yáng)電池中，光電轉(zhuǎn)換過程通常可分為光激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)、電子空穴對(duì)的分離、向外電路的輸運(yùn)等三個(gè)過程。,染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)電池的工作原理,染料敏化納米晶太陽(yáng)電池的

35、工作原理和傳統(tǒng)的pn結(jié)太陽(yáng)電池不同，在染料敏化納米晶太陽(yáng)電池中，光的捕獲和電荷的傳輸是分開進(jìn)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(dǎo)帶，再通過多孔的二氧化鈦薄膜傳輸?shù)焦怅?yáng)極，從外電路通過負(fù)載傳輸?shù)椒措姌O，同時(shí)染料分子被電解質(zhì)中的I離子還原，實(shí)現(xiàn)了電荷的分離。電解質(zhì)中的氧化還原電對(duì)將空穴傳輸?shù)椒措姌O，與電子復(fù)合，完成一個(gè)循環(huán)。,染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)電池目前研究的重點(diǎn),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(yáng)電池目前研究的重點(diǎn),電解質(zhì)： 電解質(zhì)體系的主要功能除了復(fù)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(duì)的能級(jí)，改變體系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)光電壓影響很大。為提高電池的光電性能，人們?cè)陔娊赓|(zhì)體系中進(jìn)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(dǎo)率和離子傳導(dǎo)率高，電極電位與染料能級(jí)匹配，與二氧化鈦納米晶以及對(duì)電極界面結(jié)合性能良好的高分子固體電解質(zhì)或準(zhǔn)固體電解質(zhì)是目前研究的重點(diǎn)課題之一。,染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)電池目前研究的重點(diǎn),多孔膜的制備 ： 多孔膜是納米晶染料敏化太陽(yáng)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(shí)也是電子的傳輸載體。納米晶多孔膜的

37、最大特點(diǎn)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(gè)重要指標(biāo)，這關(guān)系到電解質(zhì)中氧化還原電對(duì)的有效傳輸。目前，實(shí)驗(yàn)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(yáng)電池存在問題,染料敏化納米晶太陽(yáng)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(gè)方面： （1）液體染料敏化太陽(yáng)電池的長(zhǎng)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(yáng)電池效率低的問題。,34 核能材料,核反應(yīng)堆可分為裂變反應(yīng)堆和聚變反應(yīng)堆兩大類。裂變反應(yīng)堆已大量應(yīng)用，對(duì)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(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x，核能界公認(rèn)聚變堆材料是技術(shù)難點(diǎn)之一。當(dāng)前，核能材料研究發(fā)展的重點(diǎn)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(duì)它的技術(shù)要求是應(yīng)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(xué)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(diǎn)是快中子增殖堆，這是因?yàn)橐环矫媸橇炎兠?/p>

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(dǎo)致力學(xué)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(jìn)型，正在研究的有鐵素體不銹鋼、鎳基合金、氧化物彌散強(qiáng)化合金等。在現(xiàn)在運(yùn)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(xiǎn)性，人們又在探討用不銹鋼取代鋁合金的問題，此項(xiàng)工作正在進(jìn)行中。在空間用的熱離子反應(yīng)堆中，兼作支持極的包殼的溫度可達(dá) 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(yīng)的要求，另一方面應(yīng)具備符合反應(yīng)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(huì)直接影響高溫氣冷堆的運(yùn)行?，F(xiàn)在正在研究用碳化鋯進(jìn)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(yīng)比裂變堆所經(jīng)受的要強(qiáng)得多，而且14MeV中子不僅會(huì)在材料中產(chǎn)生離位損傷，而且所造成的中子嬗變反應(yīng)會(huì)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(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，引起材料的嚴(yán)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(duì)象主要有鈹、鎢、鎢合金及復(fù)合材料，后者有不銹鋼、釩合金及復(fù)合材料等。,34 核能材料,4）核廢料的處理 在反應(yīng)堆的運(yùn)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(qiáng)，而且有些核素具有幾萬(wàn)年或更長(zhǎng)的半衰期。如何保證這些放射性物質(zhì)長(zhǎng)期不擴(kuò)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(yīng)“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(xì)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(guó)馬薩諸塞大學(xué)的科學(xué)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(huì)奪取糖分子的電子，并將這些負(fù)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(zhǎng)期發(fā)電。研究人員在2003年10月號(hào)的“自然與生物技術(shù)”中指出，如果改進(jìn)新型電池的電極，應(yīng)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(yùn)輸、移動(dòng)電源等方面廣泛的應(yīng)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(jiǎn)要介紹幾種主要類型燃料

43、電池的特點(diǎn)、研究狀況、市場(chǎng)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(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的電化

44、學(xué)反應(yīng)裝置一節(jié)燃料電池由陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)隔膜構(gòu)成燃料在陽(yáng)極氧化，氧化劑在陰極還原，從而完成整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)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(dǎo)的作用。 1839年，英國(guó)科學(xué)家Grove首先介紹了燃料電池的原理性實(shí)驗(yàn)約100年后，Bacon采用多孔氣體擴(kuò)散電極制備了培根型堿性燃料電池20世紀(jì) 60年代，燃料電池首次應(yīng)用在美國(guó)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(xiàn)，燃料電池的研究進(jìn)入了快速發(fā)展階段后來稱這一時(shí)期為燃料電池開發(fā)的空間時(shí)代（Space era）,3 .5 燃料電池材料,1973年，在全球能源危機(jī)的刺激下，為了提高能源利用率，研究

45、重點(diǎn)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?xì)浠衔镒魅剂系墓腆w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(shí)期稱為燃料電池開發(fā)的能源時(shí)代（energy era）。 其后，隨著能源危機(jī)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(guó)公布了來自發(fā)電站和交通運(yùn)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(biāo)的燃料電池研究開發(fā)工作引起了各國(guó)政府及科學(xué)家的重視

46、，促進(jìn)了燃料電池開發(fā)的環(huán)境時(shí)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(shí)速為72kmh、以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為動(dòng)力的公交車”，引發(fā)了全球性燃料電池電動(dòng)車的研究開發(fā)熱潮。許多發(fā)達(dá)國(guó)家相繼投入了大量人力、財(cái)力開展以PEMFC為動(dòng)力電源的電動(dòng)車、艦船、潛艇、水下機(jī)器人等研究與開發(fā)工作，并取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。近些年來，由于直接醇類燃料電池（DAFC）的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，燃料存儲(chǔ)、攜帶方便等特點(diǎn)，在移動(dòng)電源、微型電源以及傳感器件等方面具有廣闊的應(yīng)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(diǎn)之一。,3

47、.5 燃料電池材料,燃料電池的特點(diǎn)與技術(shù)狀況： 燃料電池直接將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，不受卡諾熱機(jī)循環(huán)的限制，只要提供燃料即可發(fā)電，其特點(diǎn)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(dá)8590實(shí)際電池在工作時(shí)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(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可達(dá)80%以上。,3 .5 燃料電池材料,（2）環(huán)境友好。當(dāng)燃料電池以富氫氣體為燃料時(shí)，其二氧化碳的排放量比熱機(jī)過程減少40以上；若以純氫氣為燃料，其化學(xué)反應(yīng)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(shí)現(xiàn)零排放。 (3)安靜。燃料

48、電池按電化學(xué)反應(yīng)原理工作，運(yùn)動(dòng)部件少、工作噪聲低。實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)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(qiáng)弱,舉 例（據(jù)科學(xué)2004第一期）,從1990年代中期開始，德國(guó)戴姆勒克萊斯勒（Daimler Chrysler）汽車公司在燃料電池車的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)中一直處于領(lǐng)先地位。最近，該公司已經(jīng)對(duì)第一批燃料電池車進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)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(yù)訂了大約30輛燃料電池城市客車?；诿焚惖滤贡捡YA級(jí)的汽車也將于今年年底在美國(guó)進(jìn)行測(cè)試。燃料電池車使用氫（以壓

49、縮氣體的形式儲(chǔ)存）作為燃料，它與周圍空氣中的氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，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(guó)加州委托的零煙霧、零溫室氣體排放的目標(biāo)，第一輛燃料電池車將作為美國(guó)能源部的送貨車，并在美國(guó)總統(tǒng)環(huán)保署設(shè)在密歇根州奧本山的加氫站補(bǔ)充燃料。,德國(guó)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(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣稱將煤轉(zhuǎn)化為氫燃料的過程推向市場(chǎng),北美擁有豐富的煤儲(chǔ)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(guó)洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)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(xué)反應(yīng)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(dá)70%，差不多是目前燃煤電廠的兩倍。1999年，成立了一個(gè)由能源公司和研究機(jī)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(yàn)工廠的設(shè)計(jì)和建設(shè)。,加拿大ZECA聯(lián)合公司和美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣稱將煤轉(zhuǎn)化為氫燃料的過程推向市場(chǎng),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(yīng)急電源和不間斷電源以及分散式電

51、站的實(shí)際運(yùn)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(guó)政府與公司的青睞，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)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(bào)道，其技術(shù)狀況如表1所示。,最新研究進(jìn)展,據(jù)最近報(bào)道，美國(guó)威斯康星麥迪遜大學(xué)James A. Dumesic開發(fā)了從植物中獲取氫燃料的一種很經(jīng)濟(jì)的催化方法。 近年來，人們?yōu)榱舜龠M(jìn)寄予厚望的氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代的早日到來，一直在尋找廉價(jià)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(jìn)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(yīng)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(huì)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(chǎng)需求與技術(shù)挑戰(zhàn) 世界石油儲(chǔ)量與快速消耗的矛盾迫使各國(guó)政府千方百計(jì)地尋求新能源和提高現(xiàn)有資源的利用率以確保社會(huì)的繁榮昌盛與國(guó)家的長(zhǎng)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(yùn)輸工具。高能量密度、便攜式的移動(dòng)電源不僅在國(guó)防

53、建設(shè)和國(guó)家安全領(lǐng)域需求迫切，而且在移動(dòng)通訊、微型動(dòng)力源等民用方面也具有廣闊的應(yīng)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(jì)等方面的障礙。電池先進(jìn)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(jià)、延長(zhǎng)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(chǔ)運(yùn)、水熱管理、熱電聯(lián)用、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)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(chǎng)需求可能來源于以下幾個(gè)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(jìn)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(dǎo)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(guó)的Siemens Westinghouse Power Corporation已經(jīng)制造和運(yùn)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(yù)期為10年，未來商品化的壽命預(yù)期為1020年。加拿大的Global熱電公司的研發(fā)方向?yàn)橹袦仄桨逍蚐OFC，主要面向分散供電、家

55、庭熱電聯(lián)供市場(chǎng)。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(chǎng)提供5 kW輔助電源。德國(guó)、法國(guó)、荷蘭、英國(guó)、西班牙、丹麥等多個(gè)國(guó)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(diǎn)是電池組裝相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是電流通過電池的路徑較長(zhǎng)，電阻較大，限制了SOFC的性能。平板式SOFC的優(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)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(diǎn)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(shì)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(yùn)行的

56、穩(wěn)定性和可靠性、降低電池系統(tǒng)的制造和運(yùn)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(dǎo)率高、與其他電池材料具有化學(xué)相容性的電解質(zhì)隔膜仍然是SOFC的研究重點(diǎn)。,3 .5 燃料電池材料,美國(guó)能源部、國(guó)防部和 NASA對(duì)SOFC和 MCFC兩種燃料電池的研發(fā)高度重觀，2003年美國(guó)財(cái)政年度計(jì)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(yùn)輸?shù)葎?dòng)力電源 就目前的技術(shù)狀況而言，PEMFC在交通、運(yùn)輸、低容量分散型電站等方面具有良好的市場(chǎng)前景，如電動(dòng)車、潛艇的動(dòng)力電源以及海島、礦山、醫(yī)院、商店等使用的移動(dòng)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(dòng)巴士以來，國(guó)際上著名的汽車公司對(duì)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(dá)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(dòng)力或混合動(dòng)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(dòng)轎車以高壓（2482MPa）純氫氣體為燃料，三臺(tái) Mark700型25kW PEMFC置于轎車后部行李箱底層，兩個(gè)41L的碳纖維增強(qiáng)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(gè)系統(tǒng)重 295 kg，轎車前輪驅(qū)動(dòng)部分由電機(jī)、逆變器、場(chǎng)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(shí)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(jī)車相媲美并具有較高的能量利用效率。Necar5電動(dòng)轎車以車載甲醇重整制氫為燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為75kW，最高時(shí)速達(dá)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(gè)巨大的市場(chǎng)是潛艇動(dòng)力源。核動(dòng)力潛艇由于其造價(jià)高、退役時(shí)核動(dòng)力設(shè)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(jī)和鉛酸電池為動(dòng)力的潛艇工作時(shí)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(yán)重威脅。因此，研究不依賴空氣、可在水下長(zhǎng)時(shí)間航行，并能完成各種任務(wù)的非核動(dòng)力潛艇已勢(shì)在必行。德國(guó)Semens公司已建造了四艘以 300kW PEMFC為動(dòng)力的混合驅(qū)動(dòng)型潛艇，計(jì)劃用作德國(guó)海軍新型 212型潛艇的動(dòng)力電源。以 PEMFC為動(dòng)力的潛艇續(xù)航能力比斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)約長(zhǎng)一倍，大大增強(qiáng)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(yīng)用市場(chǎng)，如無纜水下機(jī)器人、家庭用分散電站、移動(dòng)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(yīng)用市場(chǎng)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(zhǎng)足的進(jìn)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(gè)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。