世界上新能源材料发展状况

1、能源及新能源材料能源及新能源材料刘胜明刘胜明 博士博士西华大学材料科学与工程学院西华大学材料科学与工程学院 一一 能源的概述能源的概述什么是能源？什么是能源？ 能源是指一切能量集中的含能体能源是指一切能量集中的含能体( (如煤炭石油如煤炭石油) )和能量过程和能量过程( (如风和潮汐如风和潮汐) )，能到达地球表面的，能到达地球表面的，都叫做地球上的能源。都叫做地球上的能源。 能源是社会经济建设和提高人民生活水平的重能源是社会经济建设和提高人民生活水平的重要物质基础之一。要物质基础之一。能源的分类能源的分类一一级级能能源源第一类能源第一类能源（来自地球以外）（来自地球以外）太太阳阳辐辐射射能能

2、煤，石油，油页岩，天然气，煤，石油，油页岩，天然气，草木燃料，沼气和其它由于光和草木燃料，沼气和其它由于光和作用而固定下来的太阳能。作用而固定下来的太阳能。宇宙射线，流星和其它星际物质带进地球宇宙射线，流星和其它星际物质带进地球大气的能量大气的能量第二类能源第二类能源（来自地球内部）（来自地球内部）地地球球热热能能地震，火山活动地震，火山活动地下热水和地热蒸气（包地下热水和地热蒸气（包括温泉和沸泉）括温泉和沸泉）热岩层热岩层原子能原子能铀，钍，硼，氘铀，钍，硼，氘第三类能源（来自地球和其第三类能源（来自地球和其它天体的相互作用）它天体的相互作用）潮汐能潮汐能二二 级级能能 源源 电能，电能，氢

3、能氢能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火药等苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火药等能源按被利用的程度分：，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；，如太阳能、氢能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。按能否再生分，即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如水能、风能、潮汐能、太阳能等；，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。按对环境的污染分，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。能源发展经历的几个阶段能源发展经历的几个阶段 时

4、间时间 时期时期从火的发现到从火的发现到18世纪产业革命世纪产业革命 柴草时期柴草时期18世纪中叶世纪中叶 煤炭时期煤炭时期蒸汽机蒸汽机20世纪初世纪初 石油时期石油时期化石能源的枯竭化石能源的枯竭 新能源时期新能源时期 二二 传统的能源传统的能源 煤、石油和天然气煤、石油和天然气等是世界上最重要的三种化石燃料。等是世界上最重要的三种化石燃料。 为什么我们把煤、石油、天然气称为为什么我们把煤、石油、天然气称为化石化石燃料呢？燃料呢？“化化石石”二字意味着什么？二字意味着什么？ 煤、石油、天然气能被称为化石燃料是因为它们的形成煤、石油、天然气能被称为化石燃料是因为它们的形成经历了一个漫长的过程，

5、这个过程经历了经历了一个漫长的过程，这个过程经历了上亿上亿年。年。 化石能源化石能源是指上古时期遗留下来的动植物的遗骸在地层是指上古时期遗留下来的动植物的遗骸在地层下经过上万年的演变形成的能源。如煤下经过上万年的演变形成的能源。如煤( (植物化石转化植物化石转化),),石油石油( (动物体转化动物体转化),),天然气等。天然气等。 化石能源是一种碳氢化合物或其衍生物。它由古代生物的化石沉积而来，是一次能源。化石燃料不完全燃烧后，都会散发出有毒的气体，却是人类必不可少的燃料。化石能源所包含的天然资源有煤炭、石油和天然气。 煤煤碳碳（GT）石石油油（GT）天天然然气气（TM3）世世界界总总计计10

6、43.86世界总计137.3世界总计14. 11前苏联241.01沙特25.71前苏联5.62美国240.562伊拉克13.42伊朗2.13中中国国114.53科威特13.33卡塔尔0.714澳大利亚90.944阿联酋12.74阿联酋0.535德国60.075伊朗12.25沙特0.536印度69.596委内瑞拉9.36美国0.467南非55.337前苏联7.87委内瑞拉0.388波兰42.18墨西哥7.38阿尔及利亚0.369美国3.89尼日利亚0.3410中中国国3.310伊拉克0.3111中中国国0.1719941994年年世界化石燃料探明可采储量世界化石燃料探明可采储量中东战乱中东战乱

7、中东的巨大石油蕴藏量令该地区成为世界焦点，各主要石油消耗国家均希望可以影响以至控制该地区，于是经常有冲突和战争。 最近一次大规模的战事，相信发生在2003年3月，英美联军攻打伊拉克，给予军队的其中一些指令，是尽快控制油田及产油设施，并使破坏减至最低程度。 另一次战争是1990年1月的海湾（波斯湾）战争以美国为首的联合部队攻击伊拉克，驱赶伊军离开科威特。 我国的能源结构以煤为主 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础能源是人类社会生存和发展的重要物质基础, ,是现代是现代文明的三大支柱之一文明的三大支柱之一。 目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之

8、类的的矿物能源矿物能源为主，不但为主，不但严重破坏生态环境严重破坏生态环境，而且，而且矿矿物能源不可再生物能源不可再生，能源枯竭能源枯竭已成为共识。已成为共识。 煤炭开采煤炭开采海上石油开采平台海上石油开采平台严重的生态破坏严重的生态破坏16生态环境严重破坏：生态环境严重破坏： 1952年年12月，伦敦月，伦敦烟雾烟雾； 酸雨；酸雨； 河流河流干涸；干涸； 巨大的能源危机：巨大的能源危机：已开采已开采800亿吨石油，按现在的开采速度，亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明地球上已探明的的1770亿吨亿吨石油石油储量储量仅够开采仅够开采50年年;已探明的已探明的173万亿立方米万亿立方米天然

9、气天然气仅够开采仅够开采63年年；已探明的已探明的9827亿吨亿吨煤炭煤炭还可用还可用300年到年到400 年年;已探明的已探明的铀铀储量约储量约490万吨，万吨，钍钍储量约储量约275万吨，全球万吨，全球441座座核电站每年消耗核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，万多吨浓缩铀，仅够使用仅够使用100年左右年左右。 世界各国世界各国水能水能开发也已近饱和，开发也已近饱和，风能、太阳能风能、太阳能尚无法满足尚无法满足人类庞大的需求。人类庞大的需求。 我国作为发展中大国，我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用能源消耗巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。率不高，能源结构也不合理。2009年，年，中

10、国风力发电量达到了中国风力发电量达到了25.8亿瓦亿瓦，超过了德国，超过了德国的的25.77亿瓦，仅次于美国亿瓦，仅次于美国35亿瓦；亿瓦；2020年，中国将投入足以实现年发电量年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力亿瓦的风力涡轮机，涡轮机，成为世界最大的风能生产国成为世界最大的风能生产国。尽管在新能源领域有了大规模的增长，尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只但风力发电量只占据中国电力消耗总量的占据中国电力消耗总量的1% 。 为缓解和解决能源危机，科学家提出为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最资源与能源最充分利用技术充分利用技术和和环境最小负担技术环境最小负担技术。

11、 新能源与新能源材料新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。是两大技术的重要组成部分。 新能源的发展必须靠利用新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源新的原理来发展新的能源系统系统，同时还必须靠，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新新材料的开发与利用才能使新系统得以实现系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。，并提高其利用效率，降低成本。 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。 三三 新能源新能源新能源新能源 太阳能太阳能 风能风能 海洋能海洋能 氢能氢能 生物质能生物质能 地热地热 核能核能人人类类需需要要新新能能源源太阳能太阳能 地球每年

12、接受太阳的总能量为地球每年接受太阳的总能量为1.81018kWh，相当于全球，相当于全球能耗的能耗的1.2万倍，无污染，是永久性能源。万倍，无污染，是永久性能源。 但是，太阳辐射到地球的能量密度太低，但是，太阳辐射到地球的能量密度太低，只有只有1kW/cm2，还受气候影响。还受气候影响。 太阳能主要利用形式：太阳能主要利用形式： 1 1）热能直接利用：如利用镜面或反射槽将太阳光聚焦在收）热能直接利用：如利用镜面或反射槽将太阳光聚焦在收集器上，由中间介质吸热产生蒸汽，推动气轮机组发电；集器上，由中间介质吸热产生蒸汽，推动气轮机组发电； 2 2）光伏效应：太阳能电池。）光伏效应：太阳能电池。太阳能

13、的利用太阳能的利用 真空管集热真空管集热太阳能热水器；太阳能热水器；“温室效应温室效应”太阳能电池太阳能电池太阳能汽车太阳能汽车风能风能 太阳能在地面上约太阳能在地面上约2转变为风转变为风能，全球风力用于发电功率可能，全球风力用于发电功率可达达11.3万亿万亿kW，很有发展前景。，很有发展前景。 风能与风速密切相关，但风车风能与风速密切相关，但风车材料是关键。个材料是关键。个2.5MW的风的风车，转子叶片直径要车，转子叶片直径要80，包，包括传动箱的总重达括传动箱的总重达30t；风车高；风车高近百米，用材几百吨。风车叶近百米，用材几百吨。风车叶片耍有足够的强度和抗疲劳性片耍有足够的强度和抗疲劳

14、性能，目前主要采用玻璃钢或碳能，目前主要采用玻璃钢或碳纤维增强塑料，正向增强木材纤维增强塑料，正向增强木材发展。发展。海洋能海洋能 潮汐的发生是地球受月球和太阳引力的影响而引起的涨潮潮汐的发生是地球受月球和太阳引力的影响而引起的涨潮时海水向岸边冲去，落潮时又退回海中，每天有规律地往时海水向岸边冲去，落潮时又退回海中，每天有规律地往复运动。受海岸、港湾地形的影响，海面的高度在高潮和复运动。受海岸、港湾地形的影响，海面的高度在高潮和低潮时有很大差别。可以用来推动机械装置，又可以用来低潮时有很大差别。可以用来推动机械装置，又可以用来发电。发电。世界最大的潮汐电站世界最大的潮汐电站 朗斯潮汐电站朗斯潮

15、汐电站位于位于法国法国大西洋滨海圣马洛大西洋滨海圣马洛市附近，装机容量市附近，装机容量240兆瓦，年发电量兆瓦，年发电量5.44亿千瓦时，是当今世界最大潮汐电站。亿千瓦时，是当今世界最大潮汐电站。 工程于工程于1961年年1月开工，月开工，1966年年8月第一台月第一台机组发电，机组发电，1967年年12月竣工。月竣工。La Rance Tidal Power Station 中国最大的潮汐电站中国最大的潮汐电站 江厦潮汐电站江厦潮汐电站是中国目前利用潮汐能发电是中国目前利用潮汐能发电的最大试验电站。该站位于的最大试验电站。该站位于浙江省浙江省温岭县温岭县乐清湾北端的江厦港上。电站设计装机容乐

16、清湾北端的江厦港上。电站设计装机容量量3900千瓦，年发电量约千瓦，年发电量约1000万千瓦时。万千瓦时。1986年建成发电。年建成发电。江厦潮汐电站江厦潮汐电站地热能地热能 据计算，地球陆地以下五公里内，据计算，地球陆地以下五公里内，150以上岩石和地下以上岩石和地下水总含热量相当于水总含热量相当于9950万亿吨标准煤。万亿吨标准煤。按世界年耗按世界年耗100亿亿吨标准煤计算，可满足人类几万年能源之需要吨标准煤计算，可满足人类几万年能源之需要. 如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为标如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为标准来计算、那么，石油的贮存量约为煤炭的准来计算、

17、那么，石油的贮存量约为煤炭的3，目前可，目前可利用的核燃料的贮存量约为煤炭的利用的核燃料的贮存量约为煤炭的15，而地热能的总贮而地热能的总贮存量则为煤炭的存量则为煤炭的1.7亿倍。亿倍。 地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的主要来源主要来源。 目前能为人类开发利用的主要是目前能为人类开发利用的主要是地热蒸汽和地地热蒸汽和地热水两大类热水两大类资源。资源。 目前地热资源勘探的深度可达地表以下目前地热资源勘探的深度可达地表以下5000m，其中其中2000m以下为以下为经济型地热资源经济型地热资源，2000-5000m为为亚经济型地热资源亚经济型地热资

18、源。 从直接利用地热的规模来说，从直接利用地热的规模来说， 最常用的是地热水淋浴，占总最常用的是地热水淋浴，占总利用量的利用量的1/3以上，其次是地热以上，其次是地热水养殖和种植约占水养殖和种植约占20%，地热，地热采暖约占采暖约占13%，地热能工业利，地热能工业利用约占用约占2%。 利用地热能，占地很少，无废利用地热能，占地很少，无废渣、粉尘污染，用后的弃（尾）渣、粉尘污染，用后的弃（尾）水既可综合利用，又可回注到水既可综合利用，又可回注到地下储层，达到增加压力、保地下储层，达到增加压力、保护储层、保护地热资源的双重护储层、保护地热资源的双重目的。目的。氢能氢能 氢是理想能源，热值高、无污染

19、。氢是理想能源，热值高、无污染。 存在的问题：存在的问题：1 1）氢的来源，只能通过电解水，太阳能分解）氢的来源，只能通过电解水，太阳能分解水，生物制氢，以及化工、冶金等流程制氢，这就需要消耗水，生物制氢，以及化工、冶金等流程制氢，这就需要消耗能源；能源；2 2）在存储、运输及应用过程中易爆，使材料产生氢）在存储、运输及应用过程中易爆，使材料产生氢脆、氢腐蚀，以及氢渗漏等。脆、氢腐蚀，以及氢渗漏等。 利用方式：利用方式： 1 1）直接燃烧；）直接燃烧； 2 2）储氢：将材料与氢结合成为氢化物，需要时加热放氢，）储氢：将材料与氢结合成为氢化物，需要时加热放氢，放完后还可继续充氢。放完后还可继续充

20、氢。氢能的利用氢能的利用美国加州州长施瓦辛格为新美国加州州长施瓦辛格为新“悍马悍马”加氢气加氢气氢能的利用氢能的利用宝马宝马H2R液氢动力实验赛车液氢动力实验赛车生物能生物能 如人畜粪便、秸秆、杂草如人畜粪便、秸秆、杂草和不能食用的果蔬，等等和不能食用的果蔬，等等废弃物，经过细菌发酵可废弃物，经过细菌发酵可以产生沼气以产生沼气 ( (甲烷占甲烷占55557070左右，二氧左右，二氧化碳占化碳占25254040左右，此外左右，此外还有少量氢气、硫化氢、一氧还有少量氢气、硫化氢、一氧化碳、氮和氨等化碳、氮和氨等 ) )， 用沼气做燃料和照明，燃用沼气做燃料和照明，燃烧后生成二氧化碳和水，烧后生成二

21、氧化碳和水，不污染空气，不危害人类不污染空气，不危害人类健康，并可以大大减少垃健康，并可以大大减少垃圾的数量圾的数量。 核能核能铀在自然界中有三种放射性同位素：铀在自然界中有三种放射性同位素：U235、U238、U234 ，在衰变过程中放出热量。，在衰变过程中放出热量。在军事上铀主要用来制造核武器和核动力在军事上铀主要用来制造核武器和核动力燃料。燃料。用作核电站反应堆的燃料，发电成本低。用作核电站反应堆的燃料，发电成本低。 铀裂变时产生的同位素及其射线，在工农铀裂变时产生的同位素及其射线，在工农业生产和科学技术领域中有广泛的用途。业生产和科学技术领域中有广泛的用途。例如，工业无损检测；农业培育

22、良种，防例如，工业无损检测；农业培育良种，防止病虫害；医学上灭菌消毒，临床诊断及止病虫害；医学上灭菌消毒，临床诊断及治疗等等。治疗等等。核聚变装置对材料要求十分苛刻，如耐中核聚变装置对材料要求十分苛刻，如耐中子辐射、耐高温和抗氢脆等子辐射、耐高温和抗氢脆等 四四 新能源材料新能源材料40 新能源材料新能源材料是指是指能实现新能源的转化和利用能实现新能源的转化和利用以及以及发展新能源技术所需的关键材料发展新能源技术所需的关键材料，主要包括：，主要包括： 储氢合金为代表的储氢材料储氢合金为代表的储氢材料 锂离子电池为代表的二次电池材料锂离子电池为代表的二次电池材料 质子交换膜电池为代表的燃料电池材

23、料质子交换膜电池为代表的燃料电池材料 硅半导体为代表的太阳能电池材料硅半导体为代表的太阳能电池材料 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料 -主要特点主要特点新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源；新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量转换新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量转换；新能源材料可以增加能源利用的新途径。新能源材料可以增加能源利用的新途径。内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站太阳能热水器太阳能热水器储氢材料储氢材料 氢能是人类未来的理想能源。氢能是人类未来的理想能源。 氢能热值高氢能热

24、值高，如燃烧，如燃烧1kg1kg氢可发热氢可发热1.41.410105 5kJkJ，相当于，相当于3kg3kg汽油或汽油或4.5kg4.5kg焦炭的发热量；焦炭的发热量； 资源丰富资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到11.111.1； 干净、清洁干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染；，燃烧后生成水，不产生二次污染； 应用范围广，适应性强应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。化学热泵等。 氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。氢能的开发利用已成为世界特别关注的科

25、技领域。 氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。 氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一般是在氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一般是在150150个大个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到钢瓶重量的气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到钢瓶重量的1/1001/100，且有爆炸，且有爆炸危险，很不方便。危险，很不方便。 为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储氢材料，主要包为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储氢材料，主要包括括活性炭、无机化合物、有机化合物以及合金化合物四大类储氢材活性炭、无机化合物、有机化合物以及合金化合物四大类储氢

26、材料料。常用高压氢气瓶常用高压氢气瓶J 不同储氢方式的比较不同储氢方式的比较气态储氢：气态储氢：1) 能量密度低能量密度低2) 不太安全不太安全液化储氢：液化储氢：w 能耗高能耗高w 对储罐绝热性能要求高对储罐绝热性能要求高固态储氢的优势：固态储氢的优势：1) 体积储氢容量高体积储氢容量高2) 无需高压及隔热容器无需高压及隔热容器3) 安全性好，无爆炸危险安全性好，无爆炸危险4) 可得到高纯氢，提高氢的附加值可得到高纯氢，提高氢的附加值活性炭储氢活性炭储氢 活性炭比表面积可达活性炭比表面积可达2000m2000m2 2/g/g以上，以上，低温加压可吸附储氢。活性炭低温加压可吸附储氢。活性炭原料

27、原料易得，吸附储氢和放氢操作都比较易得，吸附储氢和放氢操作都比较简单简单。 富勒烯富勒烯(C(C6060) )和碳纳米管和碳纳米管(CNT)(CNT)对氢对氢气具有较强的吸附作用。气具有较强的吸附作用。单层碳纳单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高，米管的吸氢量比活性炭高，H H2 2的吸的吸附量可达附量可达5 5-10-10( (质量分数质量分数) )，有，有望成为新一代储氢材料望成为新一代储氢材料。富勒烯富勒烯C60碳纳迷管碳纳迷管47无机化合物储氢无机化合物储氢 某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后在一定条某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后在一定条件下分解可放氢。件下分解可放氢

28、。利用利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化，吸氢和放氢反应为：，吸氢和放氢反应为：以活性炭作载体，在以活性炭作载体，在Pd或或PdO的催化作用下，以的催化作用下，以KHCO3或或NaHCO3作为作为储氢剂，储氢量约为储氢剂，储氢量约为2(质量分数质量分数)。该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储氢量比较小，催化剂该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储氢量比较小，催化剂价格较贵。价格较贵。释氢，70，0.1MPa吸氢，35，2.0MPaOHHCO2223HHCO 有机液体氢化物储氢有机液体氢化物储氢 借助储氢载体借助储氢载体( (如苯和甲苯等如苯和甲苯等) )

29、与与H H2 2的可逆反应来实现，包括的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。催化加氢反应和催化脱氢反应。该法储氢量大，该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为7.197.19和和6.186.18( (质量分数质量分数) )，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢载体储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和运输都很安全方便。苯和甲苯可循环使用，其储存和运输都很安全方便。催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比较复杂。催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比较复杂。其中R=H、CH

30、4H2，供用户使用H2，制氢工厂储存、运输储存、运输催化脱氢催化加氢RHC56RHC116RHC116RHC56合金化合物储氢合金化合物储氢 在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合金被称为金被称为储氢合金储氢合金。 氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，形成金属氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，形成金属氢化物，如氢化物，如TiHTiH2 2、ZrHZrH1.91.9、PrHPrH2.82.8、TiTi1.41.4CoHCoH、LaNiLaNi5 5H H、MmNiMmNi4.54.5H H6.66.6等。等。氢原

31、子在合金化合物中的占位：氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；四面体；(b)八面体八面体a ab b50 储氢合金储氢合金可储存比其体积大可储存比其体积大1000-1300倍的氢倍的氢，而且，而且合金中存储的氢表现为合金中存储的氢表现为H与与H+之间的中间特性，结之间的中间特性，结合力较弱，当金属氢化物受热时又可释放氢气。合力较弱，当金属氢化物受热时又可释放氢气。0123450123454.2wt%Carbon nanotube(RT,10MPa 氢压)3.6wt%1.8wt%1.4wt%Hydrogen storage capacity (wt%) LaNi5H6 TiFeH1.9 Mg

32、2NiH4 Hydrogen storage capacity (wt%) per weight储氢合金的储氢量比较储氢合金的储氢量比较 储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求： 储氢量大，能量密度高储氢量大，能量密度高； 吸氢和放氢速度快吸氢和放氢速度快； 氢化物生成热小氢化物生成热小； 分解压适中分解压适中： 容易活化容易活化； 化学稳定性好化学稳定性好； 在储运中安全、无害在储运中安全、无害； 原料来源广、成本价廉原料来源广、成本价廉。 储氢合金材料主要有：储氢合金材料主要有：稀土系列、镁镍系列、稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等钛合金系列等

33、。 大多数金属氢化物储氢量在大多数金属氢化物储氢量在1 1-4-4( (质量分数质量分数) )、能量密度、能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和高压储氢，原料易高，所需费用明显低于深冷液化储气和高压储氢，原料易得，安全可靠得，安全可靠。储氢合金已成为各国都积极研发的一种很。储氢合金已成为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。有前途的储氢方法。我国生产的稀土储氢合金我国生产的稀土储氢合金稀土系储氢合金稀土系储氢合金 LaNiLaNi5 5是稀土系储氢合金的典型代表是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰，由荷兰PhilipPhilip实验室于实验室于19691969年首先研制。年首先研制。 La

34、Ni5在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物，如下式在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物，如下式所示：所示： LaNiLaNi5 5具有优良的储氢性能，块状具有优良的储氢性能，块状LaNiLaNi5 5合金储氢量约合金储氢量约1.41.4( (质量分数质量分数) )，分解压适中平坦，活化容易，具有良好的动力，分解压适中平坦，活化容易，具有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。学特性和抗杂质气体中毒性。 6525HLaNi3HaNiL LaNi5成本高，大规模应用受限，因此发展成本高，大规模应用受限，因此发展置换置换La和和Ni的的多元合金：多元合金：LaNi5-xMx(MAl、Mn、Cr、

35、Fe、Co、Cu等等)和和R0.2La0.8Ni5(RY、Gd、Nd、Th等等)。用用富富Ce混合稀土混合稀土(Mm)代替代替La可研制廉价的可研制廉价的MmNi5储氢合金，在储氢合金，在MmNi5基础上开发多元合金，如基础上开发多元合金，如MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等等)系列，系列，不仅保持不仅保持LaNi5的优良特性，而且在储氢量的优良特性，而且在储氢量和动力学特性方面优于和动力学特性方面优于LaNi5，价格仅为纯，价格仅为纯La的的1/5。钛系储氢合金钛系储氢合金 TiFeTiFe具有优良储氢特性具有优良储氢特性，吸氢量约，吸氢量约1.751.75(

36、 (质量分数质量分数) )，室温，室温下释氢压力约为下释氢压力约为0.1MPa0.1MPa。价格较低，具有很大实用价值。价格较低，具有很大实用价值。 TiFe活化困难，须在活化困难，须在450和和5MPa压力下进行活化；抗毒性压力下进行活化；抗毒性弱弱(特别是特别是O2)，反复吸释氢后性能下降。，反复吸释氢后性能下降。 为改善为改善TiFe合金储氢特性，可用过渡元素合金储氢特性，可用过渡元素(M)置换部分铁形成置换部分铁形成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等等)。TiFe0.8Mn0.2可在室可在室温温3MPa氢压下活化，生成氢压下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.0

37、5氢化物，储氢量达氢化物，储氢量达到到1.9wt。镁系储氢合金镁系储氢合金 在在300-400300-400和较高氢压下，和较高氢压下，MgMg2 2NiNi与氢生成与氢生成MgMg2 2NiHNiH4 4，含氢，含氢量为量为3.65wt3.65wt，理论储氢量可达，理论储氢量可达6%6%，但其稳定性强，释氢，但其稳定性强，释氢困难。困难。 用用CaCa和和A1A1取代部分取代部分MgMg形成形成MgMg2-x2-xM Mx xNiNi，氢比物离解速度比，氢比物离解速度比MgMg2 2NiNi增大增大4040以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性质稳定。质

38、稳定。 利用过渡元素利用过渡元素(M)置换置换Mg2Ni中的部分中的部分Ni，形成形成Mg2Ni1-xMx合金合金(MV、Cr、Mn、Fe、Zn等等)，也可改善吸，也可改善吸/释氢的速释氢的速度，具有实用价值。度，具有实用价值。储氢合金的应用储氢合金的应用 氢储存是储氢合金最基本的应用。氢储存是储氢合金最基本的应用。 金属氢化物储氢密度高，采用金属氢化物储氢密度高，采用Mg2Ni制成的储氢容制成的储氢容器与高压器与高压(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比，钢瓶和深冷液化储氢装置相比，在储氢量相等的情况下，三者质量比为在储氢量相等的情况下，三者质量比为1 1：1.41.4：1.21.2，体，

39、体积比为积比为1 1：4 4：1.31.3；储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠，便于氢氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠，便于氢的运输和传递。的运输和传递。储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较新型二次电池材料新型二次电池材料 一次电池一次电池使用后常随普通垃圾一起被丢弃或掩埋，造成资使用后常随普通垃圾一起被丢弃或掩埋，造成资源浪费，同时电池中的重金属元素泄露也会污染地下水和土源浪费，同时电池中的重金属元素泄露也会污染地下水和土壤。壤。 二次电池或蓄电池

40、：二次电池或蓄电池：放电时通过化学反应产生电能，充放电时通过化学反应产生电能，充电时则使体系回复到原来状态，将电能以化学能形式重新储电时则使体系回复到原来状态，将电能以化学能形式重新储存起来。存起来。镍氢充电电池镍氢充电电池Li离子充电电池离子充电电池 传统二次电池如传统二次电池如铅酸电池铅酸电池和和镉镍电池镉镍电池理论比能量低，理论比能量低，且铅和镉都是有毒金属，对环境污染极大。且铅和镉都是有毒金属，对环境污染极大。 目前应用较广的是目前应用较广的是镍氢电池镍氢电池(表示为表示为Ni/MH电池电池)和锂离子电池和锂离子电池(表示为表示为LIB电池电池)，不但性能优良，而且污染较小，被称为绿，

41、不但性能优良，而且污染较小，被称为绿色电池。色电池。铅酸蓄电池铅酸蓄电池NiCd充电电池充电电池Ni/MH镍氢二次电池镍氢二次电池 Ni/MHNi/MH电池的正极材料采用电池的正极材料采用Ni(OH)Ni(OH)2 2，负极材料为储，负极材料为储氢合金，电解质为氢合金，电解质为KOHKOH水溶液。水溶液。 与与Ni/Cd电池相比，电池相比，Ni/MH电池具有以下优点电池具有以下优点：能量密度是能量密度是Ni/CdNi/Cd电池的电池的1.5-21.5-2倍；倍；充放电速率高；充放电速率高；耐过充和过放性能好；耐过充和过放性能好；使用寿命长；使用寿命长；低温性能好；低温性能好；无无CdCd元素对

42、环境的污染。元素对环境的污染。 Ni/MH二次电池二次电池 Ni/MHNi/MH电池在充放电中产生如下电极反应，工作原理如图所电池在充放电中产生如下电极反应，工作原理如图所示：示： 正极：正极： 负极：负极： 电池反应：电池反应：-2OHi(OH)N 放充eOHNiOOH2 eOHM2 OHMH放充放充M(OH)Ni2 MHNiOOH Ni/MHNi/MH电池工作原理电池工作原理 Ni/MH电池的正极材料是电池的正极材料是Ni(OH)2，电池负极材料电池负极材料主要是储氢合金主要是储氢合金，其种类如表所示。，其种类如表所示。典型的典型的Ni/MH负极材料及特征负极材料及特征合金合金类型类型 典

43、型氢化物典型氢化物 合金组成合金组成 吸氢质吸氢质量量/% 电化学容电化学容/(mAh/g) 理论值理论值 实际值实际值 AB5LaNi5H6MmNi3.5-4(MnAl)0.3-0.8Co0.2-1.31.3348330AB2ZrMn2H3Zr1-xTixNia(MnV)b(CoFeCr)c1.8482420ABTiFeH2ZrNi1.4, TiNi2.0536350A2BMg2NiH4Mg2Ni3.6965500固溶体固溶体V0.8Ti0.2H0.8V4-x(NbTaTiCo)xNi0.53.81018500 电解质需要有高的离子传导能力，目前使用的电解质需要有高的离子传导能力，目前使用的

44、Ni/MHNi/MH电池的电池的电解质是电解质是KOHKOH水溶液水溶液。KOH水溶液具有强腐蚀性，液体电解质给电池加制作带水溶液具有强腐蚀性，液体电解质给电池加制作带来不便。来不便。 用高导电性能的固体或凝胶电解质替代用高导电性能的固体或凝胶电解质替代KOHKOH是是Ni/MHNi/MH电池的电池的一个发展趋势一个发展趋势。 研究表明，采用高吸水和高亲水能力的聚合物凝胶作为电研究表明，采用高吸水和高亲水能力的聚合物凝胶作为电解质，电池的电化学性能与普通解质，电池的电化学性能与普通KOH电解质电池相近。电解质电池相近。LIB锂离子二次电池锂离子二次电池 LiLi是最轻的金属元素是最轻的金属元素

45、，它的标准电极电位是，它的标准电极电位是-3.045V-3.045V，是，是金属金属中负电位最大的元素中负电位最大的元素，因此，因此LiLi负极电池的开发受到极大重视，负极电池的开发受到极大重视，与与Ni/MHNi/MH电池性能的比较如下。电池性能的比较如下。普通普通Ni/MH，LIB及及Ni/Cd电池性能比较电池性能比较技术参数技术参数Ni/CdNi/MHLIB工作电压工作电压/V1.21.23.7质量比能量质量比能量/(Wh/kg)30-5050-70100-150体积比能量体积比能量/(Wh/L)150200270冲放电寿命冲放电寿命/次次5005001000 LIBLIB电池具有工作电

46、压高、比能量高、容量大、循环特性好、电池具有工作电压高、比能量高、容量大、循环特性好、重量轻、体积小等优点，而且重量轻、体积小等优点，而且LIBLIB无记忆效应无记忆效应，不需将电放尽，不需将电放尽后再充电；后再充电；LIBLIB自放电小，每月在自放电小，每月在1010以下，以下，Ni/MHNi/MH电池自放电池自放电一般为电一般为3030-40-40。 仅仅20002000年，日本就销售了年，日本就销售了4 4亿多只亿多只LiLi电池。电池。移动电话移动电话Li电池电池数码相机数码相机Li电池电池笔记本笔记本Li电池电池 LIBLIB电池是一种电池是一种LiLi离子浓度差电池离子浓度差电池，

47、充放电中，充放电中，LiLi离子在正负离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。极之间往返嵌入和脱嵌。充电时，充电时，LiLi离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入负极离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入负极，使负极处于，使负极处于富富LiLi离子态，正极处于贫离子态，正极处于贫LiLi态；态；放电时，放电时，LiLi离子从负极脱嵌进入正极离子从负极脱嵌进入正极。锂离子二次电池工作示意图锂离子二次电池工作示意图 LIB负极材料负极材料LIB负极材料的演变过程负极材料的演变过程负极材料负极材料金属锂金属锂锂合金锂合金碳材料碳材料氧化物氧化物纳米合金纳米合金容量容量/(mAh/g)340079037270

48、02000年代年代19651971199019951998金属金属LiLi容量最高，但在容量最高，但在LIBLIB电池的长期充放电中，电池的长期充放电中， LiLi与有与有机电解质发生反应，发生机电解质发生反应，发生枝晶生长枝晶生长，并形成，并形成树枝状沉积物树枝状沉积物，导致电池内部短路。导致电池内部短路。 LIB电池以电池以炭材料替代炭材料替代Li负极、高电位的负极、高电位的LiCoO2作作正极的二次电池后正极的二次电池后，循环性能和安全性能得到大，循环性能和安全性能得到大幅度提高，其电池反应为：幅度提高，其电池反应为： 正极：正极： 负极：负极： 电池：电池：2LiCoO放充eLiCoO

49、2 放充eLiC6 6LiC放充6CLiCoO2 62LiCCoO 不同形状的不同形状的LiLi离子电池离子电池太阳能电池材料太阳能电池材料 太阳能太阳能在未来能源结构中占有重要地位在未来能源结构中占有重要地位地球上一年接受的太阳能总量为地球上一年接受的太阳能总量为3.83.810101818kWkW，远大于人，远大于人类对能源的需求量；类对能源的需求量；分布广泛，不需要开采和运输；分布广泛，不需要开采和运输；不存在枯竭问题，可以长期利用；不存在枯竭问题，可以长期利用；安全卫生，对环境无污染等。安全卫生，对环境无污染等。人造卫星上的太阳能电池人造卫星上的太阳能电池 通过通过光电转化光电转化将将

50、太阳辐射能转化为电能太阳辐射能转化为电能加以利用是加以利用是太阳能利用中最活跃的研究领域。太阳能利用中最活跃的研究领域。清华大学电力国家重点实验室清华大学电力国家重点实验室太阳能电池开发综合利用系统太阳能电池开发综合利用系统 西班牙塞维利亚太阳能发西班牙塞维利亚太阳能发电站电站欧洲最大的太阳能欧洲最大的太阳能电站，可供电站，可供18万户使用，万户使用，每年减排每年减排60万吨万吨CO2 太阳能光电转化的核心装置是太阳电池太阳能光电转化的核心装置是太阳电池。 太阳电池的工作原理是太阳电池的工作原理是光伏效应光伏效应：太阳光的光量子与材太阳光的光量子与材料相互作用产生电子空穴对，在势垒区静电场作用

51、下，空穴和料相互作用产生电子空穴对，在势垒区静电场作用下，空穴和电子越过势垒，电子越过势垒，电子进入电子进入n n区，空穴进入区，空穴进入p p区，区，被分离的电子和被分离的电子和空穴由电极收集并输出，形成光生电流，实现光电转换。空穴由电极收集并输出，形成光生电流，实现光电转换。光伏效应示意图光伏效应示意图太阳能电池太阳能电池全球最大规模的光伏太阳能发电全球最大规模的光伏太阳能发电项目项目鄂尔多斯市政府与美国鄂尔多斯市政府与美国first solar公司共建公司共建2000兆瓦太阳兆瓦太阳能光伏发电厂能光伏发电厂 世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中心等永久世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中

52、心等永久建筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过建筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过4.68兆兆瓦瓦的太阳能电池，每年能减排二氧化碳的太阳能电池，每年能减排二氧化碳4000吨。吨。 主题馆屋面太阳能板面积达主题馆屋面太阳能板面积达3万多平方米，万多平方米，是目前世是目前世界最大的单体面积太阳能屋面界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量，年发电量280万度，万度，每年减排二氧化碳每年减排二氧化碳2800吨，节约标准煤吨，节约标准煤1000多吨。多吨。 世博中国馆世博中国馆世博主题馆世博主题馆 2011年年5月，世界首架月，世界首架无污染太阳能飞机无污染太阳能飞机进行跨国进行跨国飞行飞行(从瑞士

53、飞抵布鲁塞尔需从瑞士飞抵布鲁塞尔需13小时小时)，飞行高度可飞行高度可达达8700米米，平均飞行速度为平均飞行速度为70-120公里公里/小时小时。 用用超轻碳纤维材料超轻碳纤维材料制成，总重制成，总重1.6吨，由吨，由4台小型电台小型电力发动机驱动，力发动机驱动，机翼配备机翼配备1.2万个太阳能电池板，万个太阳能电池板，翼翼展长度大约展长度大约64米米。 晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池 晶体硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积晶体硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积pn结，在结，在p型硅片上制作很薄的掺杂型硅片上制作很薄的掺杂n型层，在型层，在n型层上型层上制作金属栅线作为正面接触电极

54、，在背面制作金属制作金属栅线作为正面接触电极，在背面制作金属膜作为背面接触电极。膜作为背面接触电极。 晶体硅太阳电池具有晶体硅太阳电池具有性能稳定、资源丰富、无毒性性能稳定、资源丰富、无毒性等优点等优点，是目前市场上的主导产品。，是目前市场上的主导产品。单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池 提高晶体硅太阳电池性能的方法提高晶体硅太阳电池性能的方法：吸杂吸杂：在多晶硅表面沉积磷或铝层，在表面产生大量缺陷：在多晶硅表面沉积磷或铝层，在表面产生大量缺陷区；高温下杂质在缺陷区富集，去掉该层后就可消除部分区；高温下杂质在缺陷区富集，去掉该层后就可消除部分杂质，特别是重金属杂质

55、，提高电池性能。杂质，特别是重金属杂质，提高电池性能。钝化：钝化：采取采取在氢气中退火、等离子体处理等方式，用氢钝在氢气中退火、等离子体处理等方式，用氢钝化硅的悬键等缺陷，提高电池性能。化硅的悬键等缺陷，提高电池性能。在多晶硅表面制备多孔硅在多晶硅表面制备多孔硅：降低电池表面反射率，提高电：降低电池表面反射率，提高电池转换效率，达到池转换效率，达到13.4。非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池是以非晶硅为衬底的薄膜太阳电池，非晶硅太阳电池是以非晶硅为衬底的薄膜太阳电池，电池效率已达到电池效率已达到13；世界总组件生产能力达到每；世界总组件生产能力达到每年年50MW，应用规模从手表、计算

56、机等消费品用电，应用规模从手表、计算机等消费品用电源发展到兆瓦级的独立电站。源发展到兆瓦级的独立电站。非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 非晶硅带隙为非晶硅带隙为1.5-2.0eV，其，其光谱响应峰值与太阳光光谱响应峰值与太阳光谱峰值的匹配比晶体硅更好谱峰值的匹配比晶体硅更好，且开路电压大；，且开路电压大；非晶硅具有非晶硅具有长程无序短程有序的共价无规则网络结构长程无序短程有序的共价无规则网络结构，这可有效吸收光子，这可有效吸收光子，在可见光波长范围内吸收系数比在可见光波长范围内吸收系数比晶体硅高一个数量级晶体硅高一个数量级； 无规则网络具有很强的散射作用无规则网络具有很强的散射作用，非晶硅中光

57、子扩散，非晶硅中光子扩散长度很短，光生载流子会很快复合而不能收集，长度很短，光生载流子会很快复合而不能收集，为此为此需要在电池内尽量布满电场需要在电池内尽量布满电场。化合物太阳能电池化合物太阳能电池 化合物太阳电池所用材料包括化合物太阳电池所用材料包括II-VI族化合物和族化合物和III-V族化合物族化合物。 II-VI族化合物包括族化合物包括CdTe、CdS和和CuInSe2等等，制成的薄膜太阳，制成的薄膜太阳电池转换效率高、成本低、易于电池转换效率高、成本低、易于大规模生产。大规模生产。 III-V族化合物包括族化合物包括GaAs和和InP等等，可制成薄膜太阳电池，转换效率可制成薄膜太阳电

58、池，转换效率高、抗辐照性能好，是较理想的高、抗辐照性能好，是较理想的空间太阳电池。空间太阳电池。太空站上的太空站上的GaAs太阳电池太阳电池高原用的高原用的GdTe太阳电池太阳电池 CdTe太阳电池太阳电池是以是以CdTe为吸收层、为吸收层、CdS为窗口层的为窗口层的半导体电池，开路电压半导体电池，开路电压1.05V，理论转换效率，理论转换效率27；目前小面积目前小面积CdTe电池转换效率已达电池转换效率已达16，大面积组，大面积组件已达件已达10.1。 GaAs是是III-V族化合物，带隙为族化合物，带隙为1.42eV，接近太阳电，接近太阳电池所需的最佳带隙，具有高的转换效率，池所需的最佳带

59、隙，具有高的转换效率，单结单结GaAs太阳电池的理论转换效率可达太阳电池的理论转换效率可达26.2；GaAs太阳电太阳电池转换效率随温度变化下降不大，耐辐照性能好，池转换效率随温度变化下降不大，耐辐照性能好，适合做空间太阳电池适合做空间太阳电池。纳米太阳电池纳米太阳电池 纳米太阳电池纳米太阳电池(简称简称NPC电池电池)是一种由是一种由镀有透明导电镀有透明导电膜的导电玻璃、多孔纳米膜的导电玻璃、多孔纳米TiO2或或PbxLa1-xTiO3(简称简称PLT)膜、染料光敏化剂、固体电解质膜以及铂电极膜、染料光敏化剂、固体电解质膜以及铂电极组成的一种光电化学式电池。组成的一种光电化学式电池。纳米太阳

60、电池的结构纳米太阳电池的结构 纳米太阳电池工作原理：纳米太阳电池工作原理：TiO2带隙带隙3.2eV，可见光不能将它激发，可见光不能将它激发，在在TiO2表面吸附表面吸附染料光敏化剂染料光敏化剂，通过染料分子与可见光相互作用，电子跃，通过染料分子与可见光相互作用，电子跃迁到迁到TiO2导带并进入电极，最后通过外电路产生光电流导带并进入电极，最后通过外电路产生光电流。TiO2膜通常制成海绵状纳米多孔膜，膜通常制成海绵状纳米多孔膜，以保证以保证TiO2膜具有较膜具有较大的比表面积，产生较高的光吸收效率。大的比表面积，产生较高的光吸收效率。染料光敏化剂一般选用羧酸多吡啶钌、磷酸多吡啶钌、多染料光敏化