新能源材料概論課件

新能源及其新材料

新能源及其新材料1目錄能源現(xiàn)狀新能源及其發(fā)展現(xiàn)狀目錄能源現(xiàn)狀新能源及其發(fā)展現(xiàn)狀2能源分類(lèi)能源分類(lèi)一次能源二次能源(經(jīng)轉(zhuǎn)換或提煉）可再生能源非再生能源風(fēng)能，水能，太陽(yáng)能，地?zé)幔Ｑ竽?，生物能化石燃料（煤，石油，天然氣）鈾電能，氫能，汽油，柴油等能源分?lèi)能源分類(lèi)一次能源二次能源(經(jīng)轉(zhuǎn)換或提煉）可再生能源非3(1)人類(lèi)社會(huì)對(duì)能源的需求不斷增加。能源是與人類(lèi)社會(huì)的生存與發(fā)展休戚相關(guān)的。人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加。能源應(yīng)用現(xiàn)狀表1世界一次能源消費(fèi)的增長(zhǎng)率(1)人類(lèi)社會(huì)對(duì)能源的需求不斷增加。能源應(yīng)用現(xiàn)狀表14(2)能源結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。表2世界一次商品能源構(gòu)成(2)能源結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。表2世界一次商品能源構(gòu)成5(3)能源應(yīng)用形態(tài)有所改變。

小型的可移動(dòng)電源的需求量增長(zhǎng)很快，這主要是信息技術(shù)發(fā)展的結(jié)果；特別是近年來(lái)筆記本電腦、手提電話等移動(dòng)通信、攝像機(jī)、聲像設(shè)備以及一些軍用電子設(shè)備的發(fā)展，對(duì)電池的能量密度要求更高，并要求能夠反復(fù)使用。因此促進(jìn)了高容量二次電池的發(fā)展。(3)能源應(yīng)用形態(tài)有所改變。小型的6(4)礦物能源面臨枯竭。（1992世界能源大會(huì)）石油/年天然氣/年煤/年鈾/年世界495726260中國(guó)236110230(4)礦物能源面臨枯竭。（1992世界能源大會(huì)）石油/年天7(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(shí)間的變化(5)礦物燃燒造成環(huán)境污染。（SO2、CO、CO2、NO）8

(6)新能源的開(kāi)發(fā)不斷取得進(jìn)展

太陽(yáng)能、生物能、核能、風(fēng)能、地?zé)?、海洋能等一次能源和二次能源中的氫能?/p>

新能源的開(kāi)發(fā)一方面靠利用新的原理來(lái)發(fā)展新的能源系統(tǒng)，另一方面靠材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，使新系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并提高效率，降低成本。

(6)新能源的開(kāi)發(fā)不斷取得進(jìn)展9(7)新材料的幾個(gè)作用：新材料把原來(lái)習(xí)用已久的能源變?yōu)樾履茉础?/p>

如：半導(dǎo)體材料把太陽(yáng)能有效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；燃料電池能使氫與氧反應(yīng)而直接產(chǎn)生電能，代替過(guò)去利用氫氣燃料獲得高溫。一些新材料可提高儲(chǔ)能和能力轉(zhuǎn)化效果

如：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。

(7)新材料的幾個(gè)作用：新材料把原來(lái)習(xí)用已久的能源變?yōu)?0新材料決定著核反應(yīng)堆的性能與安全性。材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作、加工工藝決定著投資與運(yùn)行成本。

如：太陽(yáng)電池材料決定著光電轉(zhuǎn)換效率；燃料電池的電極材料決定著電池的質(zhì)量和壽命；材料的制備工藝又決定著能源的成本。新材料決定著核反應(yīng)堆的性能與安全性。11(8)能源材料的概念及分類(lèi)廣義上，凡能源工業(yè)及能源利用技術(shù)所需的材料都可稱(chēng)為能源材料。新能源材料－如增殖堆用核材料、太陽(yáng)能電池材料節(jié)能材料－如非晶態(tài)金屬磁性，超導(dǎo)材料。儲(chǔ)能材料－如貯氫（吸氫）材料，高比能電池材料(8)能源材料的概念及分類(lèi)廣義上，凡12

能源現(xiàn)狀與發(fā)展問(wèn)題1.可再生清潔能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能等所占比例不到3%2.石油、煤和天然氣占初級(jí)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(bào)道，到2020年，我國(guó)能源的消費(fèi)比例除了利用石油、煤和天然氣以及水電外，風(fēng)能的消費(fèi)比例要占到10%，核能的消費(fèi)要占到3%。

各種能源的消費(fèi)比例圖能源現(xiàn)狀與發(fā)展問(wèn)題1.可再生清潔能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能等所占13我國(guó)石油產(chǎn)品需求預(yù)測(cè)

2010年，萬(wàn)噸2020年，萬(wàn)噸汽、煤、柴油17750-1890021700-28800潤(rùn)滑油520-560560-770燃料油29002700化工用油4700-56007200-8700其它5400-55006600-6700石油產(chǎn)品合計(jì)31300-3350038800-47700國(guó)內(nèi)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(guó)汽柴油消耗分別達(dá)4706萬(wàn)噸和10292萬(wàn)噸(合計(jì)1.5億噸)

我國(guó)石油產(chǎn)品需求預(yù)測(cè)

2010年，萬(wàn)噸2020年，萬(wàn)噸汽、煤14無(wú)窮大約45年約15約61年約30約230年約81約71年約50我國(guó)各種能源探明儲(chǔ)量（以?xún)?chǔ)采比表示）與世界比較摘自“光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略國(guó)際研討會(huì)：機(jī)遇與挑戰(zhàn)”論文集

2004年4月8日，北京P8050100150200250300太陽(yáng)能石油天然氣煤鈾世界中國(guó)無(wú)窮大約45年約15約61年約30約230年約81約71年15二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(guó)CO2排放量比較排行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16汽車(chē)油耗占汽柴油誚費(fèi)的比例(2002)

耗油量，萬(wàn)噸占消費(fèi)量，%汽油車(chē)282575.5柴油車(chē)188824.2交通運(yùn)輸用油約占石油消耗的40%汽車(chē)油耗占汽柴油誚費(fèi)的比例(2002)

耗油量，萬(wàn)噸占消費(fèi)量172020年

原油需求控制在4.5億噸，至少進(jìn)口2.5億噸，對(duì)外依存度65%

汽車(chē)保有量應(yīng)控制在1億輛(

現(xiàn)有2400萬(wàn)輛)

2004年，產(chǎn)量500萬(wàn)輛，到2010年預(yù)計(jì)汽車(chē)年產(chǎn)量達(dá)到800到1000萬(wàn)輛

2020年

原油需求控制在4.5億噸，至少進(jìn)口2.518在北京、上海等大城市，空氣污染的60%來(lái)自汽車(chē)排放二氧化碳的全球排放量中，中國(guó)居第二

在北京、上海等大城市，空氣污染的60%來(lái)自汽車(chē)排放192010550ppm

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(lái)，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(guó)和中國(guó)所在的北半球高緯度60-80度處。2010550ppm從左圖大氣CO2濃度隨20CO2大量排放帶來(lái)的最直接危害就是產(chǎn)生溫室效應(yīng)！CO2大量排放帶來(lái)的最直接危害就是產(chǎn)生溫室效應(yīng)！21

“溫室效應(yīng)”使地球變暖帶來(lái)的嚴(yán)重后果A、根據(jù)IPCC的預(yù)測(cè)，2050年地球的平均氣溫將增加2.5±1℃B、專(zhuān)家認(rèn)為：近100年來(lái)，全球年平均氣溫上升了0.6℃。預(yù)計(jì)到2100年，全球年平均氣溫將比1990年上升1.5－3.5℃C、美國(guó)皮尤全球氣候變化研究中心發(fā)表的一份報(bào)告估計(jì)，到2100年全球氣溫將升高1.3-4.6攝氏度，并導(dǎo)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(wú)法吸收各國(guó)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(gè)氣候狀況已經(jīng)進(jìn)入惡性循環(huán)狀態(tài)。E、氣候變暖有可能導(dǎo)致極地冰帽迅速融化，進(jìn)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(wàn)年前的冰川期則只是因?yàn)樵?萬(wàn)年內(nèi)地球氣溫升高5℃所造成的。溫室效應(yīng)還會(huì)造成極端降水（暴雨、暴雪）、颶風(fēng)、山崩及泥石流等“非常事件”將頻繁出現(xiàn)。專(zhuān)家們注意到，在過(guò)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(zāi)害隨時(shí)可能出現(xiàn)。G.溫室效應(yīng)造成厄爾尼諾現(xiàn)象頻繁發(fā)生，氣候異常、危害嚴(yán)重“溫室效應(yīng)”使地球變暖帶來(lái)的嚴(yán)重后果22化石能源及其現(xiàn)狀

應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)際行動(dòng)為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，國(guó)際社會(huì)制定了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》和《京都議定書(shū)》。許多國(guó)家和非政府組織相應(yīng)建立了碳基金，并以此為平臺(tái)開(kāi)展減排和碳匯項(xiàng)目。以實(shí)際行動(dòng)參與應(yīng)對(duì)氣候變化

聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約化石能源及其現(xiàn)狀應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)際行動(dòng)聯(lián)合國(guó)氣候變化框23新能源及其發(fā)展現(xiàn)狀新能源及其發(fā)展現(xiàn)狀24美國(guó)和歐洲各國(guó)在1974-1975年和1979-1982年爆發(fā)了兩次特能源危機(jī)

不依賴(lài)石油的電動(dòng)汽車(chē)自然再次成為研究的熱點(diǎn)美國(guó)和歐洲各國(guó)在1974-1975年和1979-1982年爆25新能源材料概論課件26新能源材料概論課件27鋰離子電池的特點(diǎn)高比能量(180-200Wh/Kg)長(zhǎng)循環(huán)壽命(500-1000次)高電壓(3.6V)低自放電(6-8%/月)無(wú)記憶效應(yīng)綠色能源鋰離子電池的特點(diǎn)高比能量(180-200Wh/Kg)28不斷涌現(xiàn)的電子新產(chǎn)品需要性能更優(yōu)的電源如：Apple公司出品iPodphoto播放音樂(lè)最長(zhǎng)達(dá)15小時(shí)；播放有音樂(lè)的幻燈片最長(zhǎng)達(dá)5小時(shí)

APPLE的iBook需用容量為:3300mAh，10.8V的鋰離子電池市場(chǎng)期待己久的電動(dòng)車(chē)需要功率更大的電池，因而出現(xiàn)了第二代的鋰離子電池不斷涌現(xiàn)的電子新產(chǎn)品需要性能更優(yōu)的電源29

第二代鋰離子電池的特征：大容量、高電壓、長(zhǎng)壽命、低價(jià)格第二代鋰離子電池的R&D;以美囯能源部車(chē)用技術(shù)辦公室支持的“先進(jìn)運(yùn)輸用電池”項(xiàng)目（BATT）代表

第二代鋰離子電池的特征：30一、第二代鋰離子電池★壽命達(dá)10年；★10年內(nèi)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(jià)格<$150)BATT項(xiàng)目要求：低成本、大功率、長(zhǎng)壽命

一、第二代鋰離子電池★壽命達(dá)10年；BATT項(xiàng)目要求31★正極

LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料；

xLi2M′O3·(1-x)LiMO2復(fù)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(dá)190mAh/g(50℃，100次充/放電)；xLi2M′O3·(1-x)LiMO2，容量達(dá)300mAh/g(4.6～1.45V)★正極32★負(fù)極

a鍍碳石墨負(fù)極；

bSn、Sb基中間金屬化合物負(fù)極：如Sn箔，它比Cu6Sn5好，在100次充/放電下可逆電化學(xué)容量大于300mAh/g(2000mAh/ml)★負(fù)極33★比功率(18秒內(nèi)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(jià)：但高于計(jì)劃指標(biāo)2-4倍

進(jìn)展：

高能鋰離子電池研究成果：進(jìn)展：34一、第二代鋰離子電池2004美國(guó)能源部(DOE)修訂了混合動(dòng)力車(chē)的儲(chǔ)能目標(biāo)：★

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

★

混合動(dòng)力車(chē)用電池組指標(biāo)：

◆

脈沖放電功率：25～40kw(10秒內(nèi))◆

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(chǎn)價(jià)格：$500～800100k單位/年

◆

工作電壓：0.55～400Vdc

◆

工作溫度：-30～+52℃一、第二代鋰離子電池2004美國(guó)能源部(DOE)修訂了混合35一、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(chēng)為L(zhǎng)333）材料，C/2倍率下半電池實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目推薦L333材料作為下一代動(dòng)力鋰離子電池正極材料一、第二代鋰離子電池L333是日本Mitsui，Tana36一、第二代鋰離子電池開(kāi)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(fù)極比以非活性的炭為負(fù)極的電池的能量密度高；

★即使過(guò)充電也不會(huì)有很?chē)?yán)重的安全問(wèn)題；

★USABC和PolyPlus,IncofBerkeley,CA簽定了長(zhǎng)期合作計(jì)劃研發(fā)Li/S電池一、第二代鋰離子電池開(kāi)發(fā)Li/S電池它具有比現(xiàn)有鋰離子電37

超級(jí)電容器Supercapacitor（與蓄電池相似而又不同的一類(lèi)儲(chǔ)能器件或儲(chǔ)能裝置）新能源材料概論課件38★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(zhǎng)維護(hù)簡(jiǎn)單★電池+超級(jí)電容器：可提供高的電能量和電功率，滿足電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)、加速、爬坡、制動(dòng)之大功率需求★電容量比傳統(tǒng)電容器大20—200倍；39超級(jí)電容器產(chǎn)品的性能與主要應(yīng)用領(lǐng)域電動(dòng)車(chē)用小型儲(chǔ)能超級(jí)電容器產(chǎn)品的性能與主要應(yīng)用領(lǐng)域電動(dòng)車(chē)用小型儲(chǔ)能40動(dòng)力型超級(jí)電容器

牽引型超級(jí)電容器

動(dòng)力型超級(jí)電容器牽引型超級(jí)電容器41★根據(jù)電極材料命名有：碳電極電化學(xué)電容器：電極材料：活性碳，碳基聚合物，碳納米材料；電解質(zhì)：H2SO4水溶液或有機(jī)電解質(zhì)或含有四烴基氨鹽的固體電解質(zhì)（其比表面積達(dá)1000m2/g）雙電層間距離：2—3A；貯存容量：200—500F/g；產(chǎn)品電容器的比功率密度；4000W/kg★根據(jù)電極材料命名有：42

C電極表面雙電層形成示意圖★碳電極材料主要通過(guò)吸附電解液中的離子在電極表面形成雙電層來(lái)完成儲(chǔ)能過(guò)程C電極表面雙電層形成示意圖★碳電極材料主要通過(guò)吸附電解液43二、超級(jí)電容器2.貴金屬氧化物電極電化學(xué)器電極材料：RuO2

，IrO2等優(yōu)點(diǎn)：由于RuO2電極的導(dǎo)電率比碳大2個(gè)數(shù)量級(jí)，在電解質(zhì)H2SO4中穩(wěn)定，電容器有更高的比能量，發(fā)展前景更好二、超級(jí)電容器2.貴金屬氧化物電極電化學(xué)器44導(dǎo)電聚合物電極電化學(xué)電容器：電極材料：可進(jìn)行n型摻雜的導(dǎo)電聚合物，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。優(yōu)點(diǎn)：它比貴金屬電化學(xué)電容器性能更優(yōu)良

研制全固體電化學(xué)電容器是今后R+D的重要課題導(dǎo)電聚合物電極電化學(xué)電容器：45

成品電容器近期目標(biāo)遠(yuǎn)期目標(biāo)能量密度>5Wh/kg>15Wh/kg功率密度>500w/kg>1500w/kg能量(Wh)500750重量(kg)

100

50

美國(guó)能源部提出的近期和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)

成品電容器近期目標(biāo)遠(yuǎn)期目標(biāo)能量密度>5Wh/kg>15Wh46

超級(jí)電容器研究的幾個(gè)方向★進(jìn)一步提高超級(jí)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(zhǎng)循環(huán)壽命

超級(jí)電容器研究的幾個(gè)方向★進(jìn)一步提高超級(jí)電容器的能量密度和47

太陽(yáng)能：最清潔、最強(qiáng)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能量太陽(yáng)能：482000年以來(lái)美國(guó)推出了“國(guó)家光伏計(jì)劃”,日本的“陽(yáng)光計(jì)劃”,歐洲的“尤里卡高科技計(jì)劃”;日韓歐合作建設(shè)全球規(guī)模最大的太陽(yáng)能發(fā)電站;歐洲五家PV制造公司對(duì)日本五家公司展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)……

促進(jìn)了PV的R&D、生產(chǎn)、應(yīng)用迅猛發(fā)展;太陽(yáng)光能利用是近年來(lái)發(fā)展最快、最具活力的領(lǐng)域2000年以來(lái)美國(guó)推出了“國(guó)家光伏計(jì)劃”,日本的“陽(yáng)光計(jì)劃”49太陽(yáng)能公寓太陽(yáng)能公寓50太陽(yáng)能的利用太陽(yáng)能的應(yīng)用研究,美國(guó)、日本和德國(guó)等歐洲國(guó)家開(kāi)展的比較早,目前在光熱轉(zhuǎn)換、光電技術(shù)方面的研究較為成熟太陽(yáng)能科技發(fā)展的兩大趨勢(shì):一是光與電結(jié)合,二是太陽(yáng)能與建筑的結(jié)合。太陽(yáng)能應(yīng)用途徑有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種方式太陽(yáng)能的利用太陽(yáng)能的應(yīng)用研究,美國(guó)、日本和德國(guó)等歐洲國(guó)家開(kāi)51三、第三代高效太陽(yáng)能電池、光電容器大面積太陽(yáng)能電池板(發(fā)電站用)三、第三代高效太陽(yáng)能電池、光電容器大面積太陽(yáng)能電池板(發(fā)電站52美國(guó)“太陽(yáng)神”號(hào)無(wú)人駕駛飛機(jī)，使用接觸式太陽(yáng)能電池，效率達(dá)到23%美國(guó)“太陽(yáng)神”號(hào)無(wú)人駕駛飛機(jī)，使用接觸式太陽(yáng)能電池，效率達(dá)53美國(guó)宇航局探測(cè)器用PV裝置美國(guó)宇航局探測(cè)器用PV裝置54★第一代

太陽(yáng)能電池采用單晶硅技術(shù)制備，轉(zhuǎn)換效率15~23%，性能穩(wěn)定、價(jià)格貴★第二代

太陽(yáng)能電池采用多晶硅薄膜技術(shù)制備，轉(zhuǎn)換效率10~19%，材料省，成本較低

★第三代

太陽(yáng)能電池,以?xún)深?lèi)太陽(yáng)能電池為典型：

1、以先進(jìn)薄膜技術(shù)為基礎(chǔ)制備的非晶硅薄膜疊層太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率高，最高35%，可大面積沉積，成本低，重量輕；2、有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率不高約2～5%，但價(jià)格低，可以用噴涂和印刷方式大規(guī)模生產(chǎn)★第一代太陽(yáng)能電池采用單晶硅技術(shù)制備，轉(zhuǎn)換效率55有機(jī)半導(dǎo)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(duì)的擴(kuò)散長(zhǎng)度和光吸收薄膜的厚度相當(dāng)★光激發(fā)電子-空穴對(duì)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(diǎn)：

有機(jī)半導(dǎo)體材料★寬的吸收系數(shù)和較大的光激發(fā)系數(shù)主要特點(diǎn)：56

與風(fēng)能、太陽(yáng)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(diào)峰，特別適合直流用電大戶儲(chǔ)存“谷電”用作自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)等非常時(shí)期應(yīng)急電源，重要軍事基地的備用電站設(shè)計(jì)成代替鉛酸蓄電