能源材料綜述

1、儲(chǔ)氫合金材料能源材料定義和分類廣義上說，凡是能源工業(yè)及能源技術(shù)所需的材料都可稱為能源材料。新材料領(lǐng)域，能源材料往往指那些正在發(fā)展的、可能支持建立新能源系統(tǒng)滿足各種新能源及節(jié)能技術(shù)的特殊要求的材料。分類分類按材料種類，可分為燃料、能源結(jié)構(gòu)材料、能源功能材料等幾大類。按其使用目的，又可以把能源材料分成能源工業(yè)材料、新能源材料、節(jié)能材料、儲(chǔ)能材料等大類。定義定義目前比較重要的新能源材料新能源材料裂變反應(yīng)堆材料聚變堆材料高能推進(jìn)劑燃料電池材料氫能源材料超導(dǎo)材料太陽能電池材料其它新能源材料世界能源的消耗德國能源消耗分布圖世界能源消耗分布圖氫能源氫是理想的二次能源u氫是自然界中存在最普遍的元素u氫本身無毒

2、u氫與其它燃料比較，單位質(zhì)量發(fā)出的能量最高。氫氣存儲(chǔ)氫氣存儲(chǔ)物理存儲(chǔ)化學(xué)存儲(chǔ)液氣存儲(chǔ)高壓氫氣存儲(chǔ)活性炭吸附存儲(chǔ)碳纖維和碳納米管存儲(chǔ)玻璃微球存儲(chǔ)地下巖洞存儲(chǔ)金屬氫化物存儲(chǔ)有機(jī)液態(tài)氫化物存儲(chǔ)無機(jī)物存儲(chǔ)鐵磁性材料存儲(chǔ)密度高，安全性好，不需要高壓容器和隔熱容器，可得到高純度氫。金屬氫化物儲(chǔ)氫在一定溫度和氫氣壓力下，能可逆的大量吸收、儲(chǔ)存和釋放氫氣的金屬鍵化合物。儲(chǔ)氫量大、無污染、安全可靠、可重復(fù)使用而且制備技術(shù)和工藝成熟儲(chǔ)氫合金的能量轉(zhuǎn)換功能金屬儲(chǔ)氫原理合金合金氫系的理想等溫線氫系的理想等溫線橫軸表示固相中的氫與金橫軸表示固相中的氫與金屬原子比；縱軸為氫氣壓屬原子比；縱軸為氫氣壓力。力。顯然顯然, ,

3、高溫生成的氫化物具高溫生成的氫化物具有高的平臺(tái)壓力有高的平臺(tái)壓力, ,同時(shí)有效同時(shí)有效貯氫容量減小。貯氫容量減小。儲(chǔ)氫合金吸氫機(jī)理圖H2H2傳質(zhì)傳質(zhì) 化學(xué)吸附化學(xué)吸附氫的解離氫的解離表面遷移表面遷移吸附的氫轉(zhuǎn)吸附的氫轉(zhuǎn)化為吸收氫化為吸收氫氫在氫在 相的稀固相的稀固態(tài)溶液中擴(kuò)散態(tài)溶液中擴(kuò)散 相轉(zhuǎn)變?yōu)橄噢D(zhuǎn)變?yōu)?相相氫在氫化物氫在氫化物 相中擴(kuò)散相中擴(kuò)散儲(chǔ)氫合金的研究現(xiàn)狀目前研究較多的儲(chǔ)氫合金分有以下種類：p 鎂基儲(chǔ)氫材料p 稀土儲(chǔ)氫材料p 鈦系儲(chǔ)氫材料p 鋯系儲(chǔ)氫材料鎂基儲(chǔ)氫材料鎂及鎂基合金具有儲(chǔ)氫量大（MgH2的含氫量達(dá) 7.6%,而 Mg2NiH4的含氫量也達(dá)到 3.6%）、重量輕（密度僅為

4、1.74g/cm3）、資源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。Mg 表面易氧化生成氧化膜, Mg 吸放氫的條件比較苛刻。目前通過合金化改善 Mg 基合金氫化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)；加入鎳對鎂氫化物的形成起催化作用, 加快了氫化反應(yīng)速度。稀土儲(chǔ)氫材料 稀土儲(chǔ)氫材料初期氫化容易，反應(yīng)速度快，吸-放氫性能優(yōu)良，氫分解壓僅所需氣壓低。 循環(huán)退化嚴(yán)重，易粉化，采用可有效降低成本，給使用帶來困難采用M(Al，Cu，F(xiàn)e，Mn, Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir) 是改善LaNi5和MmNi5儲(chǔ)氫性能的重要方法。 鈦系儲(chǔ)氫材料鈦系合金的優(yōu)點(diǎn)是資源豐富，成本低，TiFe合金是鈦系儲(chǔ)氫合金的代表，理論儲(chǔ)

5、氫密度為 1.86%，室溫下平衡氫氣壓為 0.3MPa，具有 CsCl 型結(jié)構(gòu)不易被活化， 吸放氫需要在較高溫度和壓力下進(jìn)行、 易受到H2O和O2等氣體雜質(zhì)毒化、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重以及循環(huán)壽命短等?，F(xiàn)在多采用 Ni 等金屬部分取代Fe形成多元元合金以實(shí)現(xiàn)常溫活化，用 Mn、Cr、Zr 和 Ni 等過渡元素取代 TiFe 合金中部分Fe就可以明顯改善合金的活化性能。鋯系儲(chǔ)氫材料鋯系儲(chǔ)氫合金主要有 Zr-V、Zr-Cr 和 Zr-Mn 系 列, 以 ZrV2、ZrCr2、ZrMn2 等為代表 ,可用通式 AB2 表示,具有 C14、C15、C36 等Laves 相結(jié)構(gòu),吸氫量大、反應(yīng)速度快以及易活化、沒

6、有滯后效應(yīng)穩(wěn)定性較差添加 Ni、Mn、Cr、V 等元素,合金的相結(jié)構(gòu)由 ZrMn2 的純C14 相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?C15 或兩者的混相結(jié)構(gòu), 同時(shí)合金中出現(xiàn)一系列的Zr-Ni 相，提高合金的綜合電化學(xué)性能。儲(chǔ)氫合金的應(yīng)用領(lǐng)域儲(chǔ)氫材料應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)中的冶金、石油化工、光學(xué)、磁學(xué)、電子、生物醫(yī)療和原子能工業(yè)的各大領(lǐng)域的30 多個(gè)行業(yè)，但主要應(yīng)用領(lǐng)域是高性能充電電池鎳氫電池。 鎳氫電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、動(dòng)力學(xué)性能良好、環(huán)境友好和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)工具、混合電動(dòng)車 （HEV），HEV從2004年起,得到迅速發(fā)展。每年以2既的速度遞增,到2008年累計(jì)銷售1 70萬輛。 盡管上述高容量儲(chǔ)氫材料表現(xiàn)出良好的應(yīng)用發(fā)展前景,但現(xiàn)有的主要儲(chǔ)氫材料均存在不同程度的適用性問題，離氫能技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用尚有相當(dāng)?shù)木嚯x。 金屬合金氫化物加氫或脫氫只能在較高溫度下進(jìn)行，使用成本高，熱交換困難。u 提高儲(chǔ)氫材料的重量和體積儲(chǔ)氫密度提高儲(chǔ)氫材料的重量和體積儲(chǔ)氫密度, , 改善其吸