新能源材料課件

1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)帷⒑Ｑ竽艿纫淮文茉春投文茉粗械臍淠艿缺徽J(rèn)為是新能源，其中氫能、太陽(yáng)能、核能是有希望在2l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(lái)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，才能使新的系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)一步地提高效率、降低成本。

2材料的作用

(1)新材料把原來(lái)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)體材料把太陽(yáng)能有效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。再有，過(guò)去人類利用氫氣燃燒來(lái)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。

(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(lái)的新型二次電池。

(3)新材料決定著新能源的性能與安全性。新型核反應(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。(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。

3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)、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:

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)以提高大陽(yáng)電池的效率、壽命與耐輻照性能等。

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(如鎵、銦等)而言是無(wú)法滿足的。因此一方面盡量利用豐度高的元素，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。

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(guò)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(guò)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。

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：①大的處理量；②高的成品率；③高的勞動(dòng)生產(chǎn)率；④材料及部件的質(zhì)量參數(shù)的一致性、可靠性；⑤環(huán)保及勞動(dòng)防護(hù)；⑥低成本。

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(wú)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。4一些新能源材料的主要進(jìn)展4.1鋰離子二次電池材料鋰離子電池的發(fā)展方向?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；加速聚合物電池的開發(fā)以實(shí)現(xiàn)電池的薄型化。這些都與所用材料的發(fā)展密切相關(guān)，特別是與正極材料、負(fù)極材料和電解質(zhì)材料的發(fā)展有關(guān)。4.1.1碳負(fù)極材料

最早使用金屬鋰作為負(fù)極，但由于此種電池在使用中曾突發(fā)短路、使用戶燒傷，因此被迫停產(chǎn)并收回出售的電池，這是由于金屬鋰在充放電過(guò)程中形成樹枝狀沉積而造成的?，F(xiàn)在實(shí)用化的電池是用碳負(fù)極材料，靠鋰離子的嵌入和脫嵌實(shí)現(xiàn)充放電的，從而避免了上述不安全問題。通過(guò)堆不同碳素材料在電池中的行為研究，是碳負(fù)極材料得到優(yōu)化。4.1.2正極材料

目前使用的正極材料為L(zhǎng)iCoO2。對(duì)此化合物的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、粉末粒度以及粒度分布等因素對(duì)電池性能的影響進(jìn)行了深入的研究。為了降低成本，提高電池的性能，還研究了一些金屬取代金屬鈷。目前研究較多的是LiMn2O4和LiFePO4，還在研究雙離子傳遞型聚合物正極材料。4.1.3電解質(zhì)材料

研究集中在非水溶劑電解質(zhì)方面，這樣可以得到高的電池電壓。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。4.2太陽(yáng)能電池材料

太陽(yáng)能為人類最主要的可再生能源。但是這一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，所以制約太陽(yáng)能電池發(fā)展的因素有：接受面積的問題；能量按照時(shí)間分布不均的問題；電池材料的資源問題；④成本問題。綜合上述因素，太陽(yáng)能電池材料的發(fā)展主要圍繞著提高轉(zhuǎn)換效率、節(jié)約材料成本等問題進(jìn)行研究。主要有以下進(jìn)展。1）發(fā)展新工藝、提高轉(zhuǎn)換效率

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(guò)以上的研究進(jìn)展，使得太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率不斷提高。單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到23.7%，多晶硅電池已達(dá)18.6%。2）發(fā)展薄膜電池、節(jié)約材料消耗

目前大量應(yīng)用的是晶體硅電池。此種材料屬間接禁帶結(jié)構(gòu)，需較大的厚度才能充分地吸收太陽(yáng)能。而薄膜電池如砷化鎵電池、碲化鎘電池、非晶硅電池，則只需1μm~2μm的有源層厚度。而多晶硅薄膜電池的有源層厚度又降到50μm，同時(shí)使用襯底剝離技術(shù)，使襯底可以多次使用。

3）材料大規(guī)模的加工技術(shù)

提高太陽(yáng)電池成本競(jìng)爭(zhēng)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技術(shù)是關(guān)鍵的因素。為此研究開發(fā)大生產(chǎn)的工藝與設(shè)備。目前生產(chǎn)的太陽(yáng)電池的70%-80%是晶體硅太陽(yáng)能電池，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。4）與建筑相結(jié)合解決太陽(yáng)能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。4.3燃料電池材料

研究開發(fā)燃料電池的目的是使其成為汽車、航天器、潛艇的動(dòng)力源或組成區(qū)域供電。現(xiàn)針對(duì)上述不同用途開發(fā)的燃料電池有堿性氫氧電池（AFC)、磷酸型燃料電池（PAFC）、質(zhì)子交換膜型燃料電池（PEMFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。燃料電池材料的發(fā)展主要圍繞提高燃料發(fā)電的效率、延長(zhǎng)電池的工作壽命、降低發(fā)電成本等方面。4.4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)堆已經(jīng)大量使用，對(duì)其材料的研究除了優(yōu)化商品堆的性能外，主要是為了