新能源材料概論

新能源材料概論第1頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六目錄能源現(xiàn)狀新能源及其發(fā)展現(xiàn)狀第2頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六能源分類能源分類一次能源二次能源(經轉換或提煉）可再生能源非再生能源風能，水能，太陽能，地熱，海洋能，生物能化石燃料（煤，石油，天然氣）鈾電能，氫能，汽油，柴油等第3頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六(1)人類社會對能源的需求不斷增加。能源是與人類社會的生存與發(fā)展休戚相關的。人類社會的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加。能源應用現(xiàn)狀表1世界一次能源消費的增長率第4頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六(2)能源結構發(fā)生變化。表2世界一次商品能源構成第5頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六(3)能源應用形態(tài)有所改變。

小型的可移動電源的需求量增長很快，這主要是信息技術發(fā)展的結果；特別是近年來筆記本電腦、手提電話等移動通信、攝像機、聲像設備以及一些軍用電子設備的發(fā)展，對電池的能量密度要求更高，并要求能夠反復使用。因此促進了高容量二次電池的發(fā)展。第6頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六(4)礦物能源面臨枯竭。（1992世界能源大會）石油/年天然氣/年煤/年鈾/年世界495726260中國236110230第7頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六(5)礦物燃燒造成環(huán)境污染。（SO2、CO、CO2、NO）

（植被、土壤；氣候；健康）圖2世界CO2排放量隨時間的變化第8頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六

(6)新能源的開發(fā)不斷取得進展

太陽能、生物能、核能、風能、地熱、海洋能等一次能源和二次能源中的氫能。

新能源的開發(fā)一方面靠利用新的原理來發(fā)展新的能源系統(tǒng)，另一方面靠材料的開發(fā)與應用，使新系統(tǒng)得以實現(xiàn)，并提高效率，降低成本。第9頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六(7)新材料的幾個作用：新材料把原來習用已久的能源變?yōu)樾履茉础?/p>

如：半導體材料把太陽能有效地直接轉變?yōu)殡娔?；燃料電池能使氫與氧反應而直接產生電能，代替過去利用氫氣燃料獲得高溫。一些新材料可提高儲能和能力轉化效果

如：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化功能而發(fā)展起來的新型二次電池。

第10頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六新材料決定著核反應堆的性能與安全性。材料的組成、結構、制作、加工工藝決定著投資與運行成本。

如：太陽電池材料決定著光電轉換效率；燃料電池的電極材料決定著電池的質量和壽命；材料的制備工藝又決定著能源的成本。第11頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六(8)能源材料的概念及分類廣義上，凡能源工業(yè)及能源利用技術所需的材料都可稱為能源材料。新能源材料－如增殖堆用核材料、太陽能電池材料節(jié)能材料－如非晶態(tài)金屬磁性，超導材料。儲能材料－如貯氫（吸氫）材料，高比能電池材料第12頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六

能源現(xiàn)狀與發(fā)展問題1.可再生清潔能源如風能、太陽能等所占比例不到3%2.石油、煤和天然氣占初級能源消耗的85%左右3.其余主要是火電和水電據(jù)可靠資料報道，到2020年，我國能源的消費比例除了利用石油、煤和天然氣以及水電外，風能的消費比例要占到10%，核能的消費要占到3%。

各種能源的消費比例圖第13頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六我國石油產品需求預測

2010年，萬噸2020年，萬噸汽、煤、柴油17750-1890021700-28800潤滑油520-560560-770燃料油29002700化工用油4700-56007200-8700其它5400-55006600-6700石油產品合計31300-3350038800-47700國內石油需求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年我國汽柴油消耗分別達4706萬噸和10292萬噸(合計1.5億噸)

第14頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六無窮大約45年約15約61年約30約230年約81約71年約50我國各種能源探明儲量（以儲采比表示）與世界比較摘自“光伏技術和產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略國際研討會：機遇與挑戰(zhàn)”論文集

2004年4月8日，北京P8050100150200250300太陽能石油天然氣煤鈾世界中國第15頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六二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CO2排放量比較排行第16頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六汽車油耗占汽柴油誚費的比例(2002)

耗油量，萬噸占消費量，%汽油車282575.5柴油車188824.2交通運輸用油約占石油消耗的40%第17頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六2020年

原油需求控制在4.5億噸，至少進口2.5億噸，對外依存度65%

汽車保有量應控制在1億輛(

現(xiàn)有2400萬輛)

2004年，產量500萬輛，到2010年預計汽車年產量達到800到1000萬輛

第18頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六在北京、上海等大城市，空氣污染的60%來自汽車排放二氧化碳的全球排放量中，中國居第二

第19頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六2010550ppm

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，CO2的濃度上升迅速非常迅速，2010年將接近550ppm。而且，主要分布在美國和中國所在的北半球高緯度60-80度處。第20頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六CO2大量排放帶來的最直接危害就是產生溫室效應！第21頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六

“溫室效應”使地球變暖帶來的嚴重后果A、根據(jù)IPCC的預測，2050年地球的平均氣溫將增加2.5±1℃B、專家認為：近100年來，全球年平均氣溫上升了0.6℃。預計到2100年，全球年平均氣溫將比1990年上升1.5－3.5℃C、美國皮尤全球氣候變化研究中心發(fā)表的一份報告估計，到2100年全球氣溫將升高1.3-4.6攝氏度，并導致海平面升高17-99厘米。D、全球森林面積迅速下降，現(xiàn)有森林已無法吸收各國所排放的二氧化碳，已使大氣層中二氧化碳含量迅速增加，整個氣候狀況已經進入惡性循環(huán)狀態(tài)。E、氣候變暖有可能導致極地冰帽迅速融化，進而使海平面上升，引發(fā)大規(guī)模洪水。在地球歷史上發(fā)生于15萬年前的冰川期則只是因為在2萬年內地球氣溫升高5℃所造成的。溫室效應還會造成極端降水（暴雨、暴雪）、颶風、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害隨時可能出現(xiàn)。G.溫室效應造成厄爾尼諾現(xiàn)象頻繁發(fā)生，氣候異常、危害嚴重第22頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六化石能源及其現(xiàn)狀

應對氣候變化的國際行動為應對全球氣候變化，國際社會制定了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》和《京都議定書》。許多國家和非政府組織相應建立了碳基金，并以此為平臺開展減排和碳匯項目。以實際行動參與應對氣候變化

聯(lián)合國氣候變化框架公約第23頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六新能源及其發(fā)展現(xiàn)狀第24頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六美國和歐洲各國在1974-1975年和1979-1982年爆發(fā)了兩次特能源危機

不依賴石油的電動汽車自然再次成為研究的熱點第25頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六第26頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六第27頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六鋰離子電池的特點高比能量(180-200Wh/Kg)長循環(huán)壽命(500-1000次)高電壓(3.6V)低自放電(6-8%/月)無記憶效應綠色能源第28頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六不斷涌現(xiàn)的電子新產品需要性能更優(yōu)的電源如：Apple公司出品iPodphoto播放音樂最長達15小時；播放有音樂的幻燈片最長達5小時

APPLE的iBook需用容量為:3300mAh，10.8V的鋰離子電池市場期待己久的電動車需要功率更大的電池，因而出現(xiàn)了第二代的鋰離子電池第29頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六第二代鋰離子電池的特征：大容量、高電壓、長壽命、低價格第二代鋰離子電池的R&D;以美囯能源部車用技術辦公室支持的“先進運輸用電池”項目（BATT）代表

第30頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六一、第二代鋰離子電池★壽命達10年；★10年內容量衰退<20%；★充放電1000次；★工作溫度–40～650C；★比能量>170wh/kg；★比功率>300w/kg；★成本<150$/kwh@20k/年(即每年每20k單元的價格<$150)BATT項目要求：低成本、大功率、長壽命

第31頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六★正極

LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料；

xLi2M′O3·(1-x)LiMO2復合材料，其中M′=Mn,Ti,Zr,Ru，M=Li,MnNi,Co（替代LiCoO2）

xLi2M′O3·(1-x)LiMO2，容量達190mAh/g(50℃，100次充/放電)；xLi2M′O3·(1-x)LiMO2，容量達300mAh/g(4.6～1.45V)第32頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六★負極

a鍍碳石墨負極；bSn、Sb基中間金屬化合物負極：如Sn箔，它比Cu6Sn5好，在100次充/放電下可逆電化學容量大于300mAh/g(2000mAh/ml)第33頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六★比功率(18秒內放電)：900w/kg；★能量密度：1450w/l；★比能量：75wh/kg；★循環(huán)壽命(25wh次)：300,000；★使用壽命：15年；★售價：但高于計劃指標2-4倍

進展：

高能鋰離子電池研究成果：第34頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六一、第二代鋰離子電池2004美國能源部(DOE)修訂了混合動力車的儲能目標：★

到2010年，研制出300Wh、25kW（18秒內放電）使用壽命15年的電動火車用電池；

★

混合動力車用電池組指標：

◆

脈沖放電功率：25～40kw(10秒內)◆

總可用能量：0.3～0.5KWh

◆

循環(huán)壽命：300k～50wh次(15Mwh)

◆

使用壽命：15年

◆

生產價格：$500～800100k單位/年

◆

工作電壓：0.55～400Vdc

◆

工作溫度：-30～+52℃第35頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六一、第二代鋰離子電池

L333是日本Mitsui，Tanaka、Seimi公司研制的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2（稱為L333）材料，C/2倍率下半電池實驗表明L333(Seimi)正極材料具有高的放電容量和好的循環(huán)性能

BATT項目推薦L333材料作為下一代動力鋰離子電池正極材料第36頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六一、第二代鋰離子電池開發(fā)Li/S電池它具有比現(xiàn)有鋰離子電池更好的性能

★比嵌鋰氧化物便宜，故Li/S電池的成本比現(xiàn)有鋰離子電池低；

★以Li為負極比以非活性的炭為負極的電池的能量密度高；

★即使過充電也不會有很嚴重的安全問題；

★USABC和PolyPlus,IncofBerkeley,CA簽定了長期合作計劃研發(fā)Li/S電池第37頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六

超級電容器Supercapacitor（與蓄電池相似而又不同的一類儲能器件或儲能裝置）第38頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六★電容量比傳統(tǒng)電容器大20—200倍；充放電能力大——放電電流>200A；

充放電速度快循環(huán)壽命長維護簡單★電池+超級電容器：可提供高的電能量和電功率，滿足電動汽車啟動、加速、爬坡、制動之大功率需求第39頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六超級電容器產品的性能與主要應用領域電動車用小型儲能第40頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六動力型超級電容器

牽引型超級電容器

第41頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六★根據(jù)電極材料命名有：碳電極電化學電容器：電極材料：活性碳，碳基聚合物，碳納米材料；電解質：H2SO4水溶液或有機電解質或含有四烴基氨鹽的固體電解質（其比表面積達1000m2/g）雙電層間距離：2—3A；貯存容量：200—500F/g；產品電容器的比功率密度；4000W/kg第42頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六

C電極表面雙電層形成示意圖★碳電極材料主要通過吸附電解液中的離子在電極表面形成雙電層來完成儲能過程第43頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六二、超級電容器2.貴金屬氧化物電極電化學器電極材料：RuO2，IrO2等優(yōu)點：由于RuO2電極的導電率比碳大2個數(shù)量級，在電解質H2SO4中穩(wěn)定，電容器有更高的比能量，發(fā)展前景更好第44頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六導電聚合物電極電化學電容器：電極材料：可進行n型摻雜的導電聚合物，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。優(yōu)點：它比貴金屬電化學電容器性能更優(yōu)良

研制全固體電化學電容器是今后R+D的重要課題第45頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六

成品電容器近期目標遠期目標能量密度>5Wh/kg>15Wh/kg功率密度>500w/kg>1500w/kg能量(Wh)500750重量(kg)10050

美國能源部提出的近期和長遠發(fā)展目標

第46頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六

超級電容器研究的幾個方向★進一步提高超級電容器的能量密度和功率密度★降低成本,特別是降低電極材料的成本

★提高電容器的可靠性，延長循環(huán)壽命

第47頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六

太陽能：最清潔、最強大的能源，取之不盡，用之不竭；地面上，晴天，每平方米植物表面可接受1000W能量第48頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六2000年以來美國推出了“國家光伏計劃”,日本的“陽光計劃”,歐洲的“尤里卡高科技計劃”;日韓歐合作建設全球規(guī)模最大的太陽能發(fā)電站;歐洲五家PV制造公司對日本五家公司展開激烈競爭……促進了PV的R&D、生產、應用迅猛發(fā)展;太陽光能利用是近年來發(fā)展最快、最具活力的領域第49頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六太陽能公寓第50頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六太陽能的利用太陽能的應用研究,美國、日本和德國等歐洲國家開展的比較早,目前在光熱轉換、光電技術方面的研究較為成熟太陽能科技發(fā)展的兩大趨勢:一是光與電結合,二是太陽能與建筑的結合。太陽能應用途徑有光熱轉換、光電轉換和光化學轉換三種方式第51頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六三、第三代高效太陽能電池、光電容器大面積太陽能電池板(發(fā)電站用)第52頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六美國“太陽神”號無人駕駛飛機，使用接觸式太陽能電池，效率達到23%第53頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六美國宇航局探測器用PV裝置第54頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六★第一代

太陽能電池采用單晶硅技術制備，轉換效率15~23%，性能穩(wěn)定、價格貴★第二代

太陽能電池采用多晶硅薄膜技術制備，轉換效率10~19%，材料省，成本較低

★第三代

太陽能電池,以兩類太陽能電池為典型：

1、以先進薄膜技術為基礎制備的非晶硅薄膜疊層太陽能電池，轉換效率高，最高35%，可大面積沉積，成本低，重量輕；2、有機半導體太陽能電池，轉換效率不高約2～5%，但價格低，可以用噴涂和印刷方式大規(guī)模生產第55頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六有機半導體材料常用的主要是小分子材料和高分子聚合物材料★寬的吸收系數(shù)和較大的光激發(fā)系數(shù)

★電子-空穴對的擴散長度和光吸收薄膜的厚度相當★光激發(fā)電子-空穴對能廣有效分離★較好的電子-空穴遷移能力，在電極上能有效的收集

主要特點：

第56頁，共63頁，2023年，2月20日，星期六

與風能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)配套使用，使其穩(wěn)定供電火力發(fā)電及核電站的電網(wǎng)調峰，特別適合直流用電大戶儲存“谷電”用作自然災害、戰(zhàn)爭等非常時期應急電源，重要軍事基地的備用電站設