第一章 绪论56193960

1、新新 能能 源源 材材 料料 赵红晓赵红晓 2007.03.12第第 一一 章章 绪绪 论论什么是能源材料？ 能源材料是指实现能源的转能源材料是指实现能源的转化和利用以及发展能源技术中所化和利用以及发展能源技术中所要用到的关键材料。要用到的关键材料。生活中的能源各种水各种水 各种电池各种电池家庭及企事业单位的电家庭及企事业单位的电生活中用到的燃料生活中用到的燃料举例说明能源材料举例说明能源材料碳棒碳棒粘结剂粘结剂硅片硅片举例说明能源材料举例说明能源材料碳棒碳棒粘结剂粘结剂硅片硅片硫酸硫酸 能能 源源 定义：能源是宇宙的推动力，是系统作功能定义：能源是宇宙的推动力，是系统作功能力的量化特性。简单

2、的说，能源就是能为人力的量化特性。简单的说，能源就是能为人类提供能量的物质资源。类提供能量的物质资源。 种类：能源可以是动能、位能、热能等。种类：能源可以是动能、位能、热能等。 能源与社会进步能源与社会进步火的发现火的发现柴草柴草时期时期18世纪产业革命世纪产业革命18世纪中叶世纪中叶煤炭大煤炭大量开采量开采第一次工业革命第一次工业革命煤炭煤炭时期时期 20世纪初世纪初石油石油时期时期将要到来将要到来新能源新能源时期时期.能能源源的的特特点点能源的形式有很多能源的形式有很多能源形式之间可以相互转换能源形式之间可以相互转换1分布具有地域性和不均衡性分布具有地域性和不均衡性能源的分类能源的分类能源

3、能源形成形成条件条件一次能源一次能源二次能源二次能源原煤，原油，天然原煤，原油，天然气，太阳能等气，太阳能等电，煤气，蒸汽等电，煤气，蒸汽等能源能源形成形成来源来源来自太阳来自太阳来自地球内部来自地球内部来自核反应来自核反应来自天体之间的引力来自天体之间的引力太阳能太阳能地热地热能能潮汐能潮汐能能源能源循环循环方式方式不可再生能源不可再生能源可再生能源可再生能源化石燃料化石燃料生物质能，氢能，化学能生物质能，氢能，化学能能源能源环保环保要求要求清洁能源清洁能源非清洁能源非清洁能源绿色能源绿色能源能源能源常规能源常规能源新能源新能源利用利用状况状况常常 规规 能能 源源 常规能源是指已能大规模生

4、产和广泛利常规能源是指已能大规模生产和广泛利用的一次能源，又称传统能源，如煤炭、石用的一次能源，又称传统能源，如煤炭、石油、天然气、水力等，是促进社会进步和文油、天然气、水力等，是促进社会进步和文明的主要能源。明的主要能源。 常常 规规 能能 源源常常规规 能能 源源 煤煤2 天天 然然 气气 石石 油油 煤炭的分布主要分布在亚太、欧洲和北美地区。主要分布在亚太、欧洲和北美地区。 2004年储量较年储量较大的四个国家占世界份额下表：大的四个国家占世界份额下表：区域区域美国美国俄罗斯俄罗斯 中国中国印度印度占世界占世界份额份额/%27.117.312.610.2常常 规规 能能 源源常常规规 能

5、能 源源 煤煤 天天 然然 气气 石石 油油3 石油是现代世界一次能源消费构成中的石油是现代世界一次能源消费构成中的主要能源，据主要能源，据1990 年的资料统计，石年的资料统计，石 油在世界一次能源消费构成中占油在世界一次能源消费构成中占38.6，居第一位；在我国占居第一位；在我国占16.6，仅次于煤，仅次于煤炭居第二位。炭居第二位。1997年探明，石油的储藏年探明，石油的储藏量居世界第八位。据量居世界第八位。据2003年的统计，在年的统计，在世界世界103个产油国中我国石油可采资源个产油国中我国石油可采资源总量和剩余可采储量分别居第总量和剩余可采储量分别居第11位和第位和第10位。位。石油

6、的分布石石油油产产品品液液 化化 石石 油气油气 润润 滑滑 油油 料料石油化工原料石油化工原料 燃燃 料料 沥沥 青青 石石油油产产品品液液 化化 石石 油气油气 润润 滑滑 油油 料料石油化工原料石油化工原料 燃燃 料料 沥沥 青青 利用率高、利用率高、经济、合理经济、合理 石石油油产产品品液液 化化 石石 油气油气 润润 滑滑 油油 料料石油化工原料石油化工原料 燃燃 料料 沥沥 青青 煤煤 油油 锅炉燃料锅炉燃料 内燃机燃料内燃机燃料石石油油产产品品液液 化化 石石 油油 气气 润润 滑滑 油油 料料石油化工原料石油化工原料 燃燃 料料 沥沥 青青 煤煤 油油 锅炉燃料锅炉燃料 内燃机

7、燃料内燃机燃料 聚乙烯聚乙烯 石油溶剂石油溶剂 乙烯、丙烯乙烯、丙烯其它石油化工产品其它石油化工产品常常 规规 能能 源源常常规规 能能 源源 煤煤 天天 然然 气气 石石 油油 至至1990 年，世界已探明天然气量储量大约为年，世界已探明天然气量储量大约为1，190，955 亿立方米，在世界一次能源构成中亿立方米，在世界一次能源构成中占占21.7，仅次于煤炭和石油，居第三位。我，仅次于煤炭和石油，居第三位。我国已探明的天然气储量为国已探明的天然气储量为9，990 亿立方米，亿立方米，居世界第居世界第9 位。位。1990 年我国天然气产量为年我国天然气产量为147 亿立方米，在一次能源消费构成

8、中占亿立方米，在一次能源消费构成中占2.1，次于煤炭、石油、水电，居第四位。次于煤炭、石油、水电，居第四位。天然气的分布天然气的优点天然气的优点 天然气作为燃料容易燃烧、清洁无灰渣、热值高天然气作为燃料容易燃烧、清洁无灰渣、热值高而且不污染环境。而且不污染环境。 用天然气加热锅炉生产蒸汽投资省，且热效率高，用天然气加热锅炉生产蒸汽投资省，且热效率高，能够适应突然的负荷变化。能够适应突然的负荷变化。 用天然气代替焦炭，可提高生产率用天然气代替焦炭，可提高生产率30。天然气化工产品及优点天然气化工产品及优点 化化 肥肥 天然气化工产品天然气化工产品主要包括主要包括合成纤维合成纤维合成橡胶合成橡胶合

9、成塑料合成塑料优点优点发展快发展快用途广用途广成本低成本低产值高产值高可燃冰可燃冰5常常 规规 能能 源源常常规规 能能 源源 煤煤 天天 然然 气气 石石 油油 常常 规规 能能 源源常常规规 能能 源源 煤煤 天天 然然 气气 石石 油油 煤炭因为储量较多尚可煤炭因为储量较多尚可维持较长时间但是直接维持较长时间但是直接使用煤炭既不能充分利使用煤炭既不能充分利用它的能量和资源，还用它的能量和资源，还会对环境造成污染会对环境造成污染 常常 规规 能能 源源常常规规 能能 源源 煤煤 天天 然然 气气 石石 油油 目前已探明的石目前已探明的石油储量将于油储量将于2020 年左右开采完毕年左右开采

10、完毕常常 规规 能能 源源常常规规 能能 源源 煤煤 天天 然然 气气 石石 油油 一些工业发达国家的一些工业发达国家的天然气也将在天然气也将在2020 年年被用完；而发展中国被用完；而发展中国家在家在2060 年也将会发年也将会发生天然气短缺生天然气短缺 能能 源源 危危 机机能源使用能源使用 能源储量能源储量能源生产能源生产能源消费能源消费世界能源贸易世世界界能能源源贸贸易易世界石油贸易世界石油贸易世界天然气贸易世界天然气贸易世界煤炭贸易世界煤炭贸易世界石油贸易情况进口渠道进口渠道2004年世界年世界45.5%的原油进口量来自中东地的原油进口量来自中东地区区美国：加拿大，中南美洲，中东和西

11、非美国：加拿大，中南美洲，中东和西非欧洲：俄罗斯，中东和北非欧洲：俄罗斯，中东和北非日本：中东地区日本：中东地区中国：中国：63%来自中东，来自中东，27%来自西非来自西非世界能源贸易世世界界能能源源贸贸易易世界石油贸易世界石油贸易世界天然气贸易世界天然气贸易世界煤炭贸易世界煤炭贸易2004年贸易量为年贸易量为6.80千亿立方米占世界产千亿立方米占世界产量的量的25.3%，俄罗斯，俄罗斯是最大的出口国美国是最大的出口国美国是最大的进口国是最大的进口国世界能源贸易世世界界能能源源贸贸易易世界石油贸易世界石油贸易世界天然气贸易世界天然气贸易世界煤炭贸易世界煤炭贸易2003年澳大利亚是最年澳大利亚是

12、最大的煤炭出口国，中大的煤炭出口国，中国居第二，印度尼西国居第二，印度尼西亚居第三。日本是最亚居第三。日本是最大的煤炭进口国。大的煤炭进口国。我国的能源情况石油资源以陆相为主水能资源集中在西南地区中国能源消费量讨论能源供不应求会有什么后果能源供不应求会有什么后果?结果积极：节省积极：节省消极：石油价格波动消极：石油价格波动 石油危机石油危机(三次三次:1973-1974年年,1979-1980年和年和1990年年): 战争战争 石油价格猛增：石油价格猛增：3.01 10.65美元；美元； （每桶）（每桶） 13 34美元；美元； 涨至涨至42美元。美元。 应对措施 充分利用现有的传统能源充分利

13、用现有的传统能源 大力研究开发新能源大力研究开发新能源 寻求各种方法、采取各种措施节约能寻求各种方法、采取各种措施节约能源，并防止或减轻对环境的污染源，并防止或减轻对环境的污染6。新新 能能 源源 新能源是和长期广泛使用新能源是和长期广泛使用,技术上较技术上较为成熟的常规能源对比而言为成熟的常规能源对比而言,是一种已经是一种已经开发但尚未大规模使用开发但尚未大规模使用,或正在研究试验或正在研究试验,尚需进一步开发的能源尚需进一步开发的能源. 新能源新能源核能核能氢能氢能化学能化学能太阳能太阳能生物质能生物质能风能风能地热能地热能海洋能海洋能纳米新能源纳米新能源二次能源二次能源一次能源一次能源氢

14、能氢能是指氢燃烧释放的能量。是指氢燃烧释放的能量。优点：优点：1，是宇宙中最丰富的元素，每个水分子含有，是宇宙中最丰富的元素，每个水分子含有两个氢原子，所以氢能是取之不尽用之不竭两个氢原子，所以氢能是取之不尽用之不竭的。的。2，燃烧时不放出污染物，是理想的绿色能源。，燃烧时不放出污染物，是理想的绿色能源。3，氢的质量小，与其他物质相比，燃烧热值，氢的质量小，与其他物质相比，燃烧热值高。一辆小汽车行驶高。一辆小汽车行驶500km,才消耗才消耗3kg氢。氢。生物质能生物质能是指植物绿色叶绿素将太阳能转化为化学能是指植物绿色叶绿素将太阳能转化为化学能储存于生物质的内部。储存于生物质的内部。包括：能源

15、林木，能源作物，水生植物，各包括：能源林木，能源作物，水生植物，各种有机废弃物。种有机废弃物。目前占世界能源中消耗量的目前占世界能源中消耗量的14%，地球上植，地球上植物每年生产的能量是目前人类消耗矿物能的物每年生产的能量是目前人类消耗矿物能的20倍倍风能风能8是太阳辐射引起的空气流动动能。到达地球是太阳辐射引起的空气流动动能。到达地球表面的太阳能约有表面的太阳能约有2%转变成风能。转变成风能。全球一年风能可达全球一年风能可达2.2106MW,可用于发电可用于发电的约为的约为106MW，比当前世界水力发电还高，比当前世界水力发电还高10倍以上。倍以上。利用要借助于风力机。利用要借助于风力机。核

16、能核能9是指由原子核的链式反应所产生的能量，包是指由原子核的链式反应所产生的能量，包括用于原子电站的核裂变能和正在研究的核括用于原子电站的核裂变能和正在研究的核聚变能。聚变能。核裂变所用原料铀核裂变所用原料铀1g就可以释放相当于就可以释放相当于30t煤煤的能量的能量核聚变所用的氘仅用核聚变所用的氘仅用560t就可以提供全世界就可以提供全世界一年消耗的能量，海洋中的氘的储量可供人一年消耗的能量，海洋中的氘的储量可供人类使用几十亿年。类使用几十亿年。太阳能太阳能是人类利用最丰富的能源。是人类利用最丰富的能源。人类最主要的可再生能源。人类最主要的可再生能源。地热能地热能指能够经济地为人类开发和利用的

17、蕴藏在地指能够经济地为人类开发和利用的蕴藏在地球内部的热资源。球内部的热资源。相当于全球煤热能的相当于全球煤热能的1.7亿倍亿倍分布广，洁净，热流密度大，使用方便分布广，洁净，热流密度大，使用方便海洋能海洋能10蕴藏在海洋中的可再生能源蕴藏在海洋中的可再生能源包括潮汐能，波浪能，海流能，海水温差能，包括潮汐能，波浪能，海流能，海水温差能，海水盐差能等等。海水盐差能等等。特点：蕴藏丰富，分布广，清洁无污染，但特点：蕴藏丰富，分布广，清洁无污染，但能量密度低，地域性强。能量密度低，地域性强。目前，开发的主要方式是发电。目前，开发的主要方式是发电。纳米新能源纳米新能源可以属于一次能源，也可以归为二次

18、能源，可以属于一次能源，也可以归为二次能源，从本质上看大部分属于二次能源。从本质上看大部分属于二次能源。主要利用纳米材料和纳米技术为能量的储存主要利用纳米材料和纳米技术为能量的储存和转化提供了非常便利的条件。和转化提供了非常便利的条件。纳米：（符号为纳米：（符号为nm）是）是长度单位，单位，10-9米米（10亿分之一米。如同厘米、分米和米一样，亿分之一米。如同厘米、分米和米一样，是长度的度量单位。相当于是长度的度量单位。相当于4倍原子大小，比倍原子大小，比单个单个细菌细菌的长度还要小。的长度还要小。新能源材料新能源材料 新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及新能源材料则是指实现新能源的转化

19、和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。发展新能源技术中所要用到的关键材料。主要包括主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料、嵌锂碳储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料、嵌锂碳负极和负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、电池材料、Si半导体材料为代表的太阳能电池材料半导体材料为代表的太阳能电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。新能源材料的作用新能新能源材源材料的料的作用作用把原来习用已久的把原来习用已久的能源变成新能源能源变成新能源可提高储能和能量可提高储能和能量转化效果转化效果决

20、定着新能源的性决定着新能源的性能与安全性能与安全性材料的组成材料的组成,结构结构,制作制作与加工工艺决定着新与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本能源的投资与运行成本新能源材料的作用新能新能源材源材料的料的作用作用把原来习用已久的把原来习用已久的能源变成新能源能源变成新能源可提高储能和能量可提高储能和能量转化效果转化效果决定着新能源的性决定着新能源的性能与安全性能与安全性材料的组成材料的组成,结构结构,制作制作与加工工艺决定着新与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本能源的投资与运行成本太阳能和太阳能和氢气燃烧氢气燃烧新能源材料的作用新能新能源材源材料的料的作用作用把原来习用已久的把原来习用已久

21、的能源变成新能源能源变成新能源可提高储能和能量可提高储能和能量转化效果转化效果决定着新能源的性决定着新能源的性能与安全性能与安全性材料的组成材料的组成,结构结构,制作制作与加工工艺决定着新与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本能源的投资与运行成本储氢合金可以改善储氢合金可以改善氢的存储条件并使氢的存储条件并使化学能转化为电能化学能转化为电能,金属氢化物镍电池金属氢化物镍电池,锂离子电池锂离子电池新能源材料的作用新能新能源材源材料的料的作用作用把原来习用已久的把原来习用已久的能源变成新能源能源变成新能源可提高储能和能量可提高储能和能量转化效果转化效果决定着新能源的性决定着新能源的性能与安全性能与

22、安全性材料的组成材料的组成,结构结构,制作制作与加工工艺决定着新与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本能源的投资与运行成本新型核反应堆需要新型核反应堆需要新型的耐腐蚀新型的耐腐蚀,耐辐耐辐照材料照材料.这些材料的这些材料的组成与可靠性对反组成与可靠性对反应堆的安全运行和应堆的安全运行和环境污染起决定性环境污染起决定性作用作用新能源材料的作用新能新能源材源材料的料的作用作用把原来习用已久的把原来习用已久的能源变成新能源能源变成新能源可提高储能和能量可提高储能和能量转化效果转化效果决定着新能源的性决定着新能源的性能与安全性能与安全性材料的组成材料的组成,结构结构,制作制作与加工工艺决定着新与加工工

23、艺决定着新能源的投资与运行成本能源的投资与运行成本太阳能电池所用的材太阳能电池所用的材料决定着光电转换效料决定着光电转换效率率,燃料电池及蓄电池燃料电池及蓄电池的电极材料及电解质的电极材料及电解质的质量决定着电池的的质量决定着电池的性能与寿命性能与寿命,其制备工其制备工艺与设备又决定着能艺与设备又决定着能源的成本源的成本新能源材料研究开发的重点 开开发发重重点点研究新材料研究新材料,新结构新结构,新效应以提新效应以提高能量的利用效率与转换效率高能量的利用效率与转换效率资源的合理利用资源的合理利用安全与环境保护安全与环境保护材料规模生产的制作与加工工艺材料规模生产的制作与加工工艺延长材料的使用寿

24、命延长材料的使用寿命新能源材料研究开发的重点 开开发发重重点点研究新材料研究新材料,新结构新结构,新效应以提新效应以提高能量的利用效率与转换效率高能量的利用效率与转换效率资源的合理利用资源的合理利用安全与环境保护安全与环境保护材料规模生产的制作与加工工艺材料规模生产的制作与加工工艺延长材料的使用寿命延长材料的使用寿命燃料电燃料电池与太池与太阳能电阳能电池池新能源材料研究开发的重点 开开发发重重点点研究新材料研究新材料,新结构新结构,新效应以提新效应以提高能量的利用效率与转换效率高能量的利用效率与转换效率资源的合理利用资源的合理利用安全与环境保护安全与环境保护材料规模生产的制作与加工工艺材料规模生产的制作与加工工艺延长材料的使用寿命延长材料的使用寿命尽量利用资源丰富的元素尽量利用资源丰富的元素实现薄膜化实现薄膜化注意回收注意回收新能源材料