新能源材料概论

1、能源分类一次能源二次能源(经转换经转换或提炼或提炼）可再生能源非再生能源风能，水能，太阳能，地热，海洋能，生物能化石燃料（煤，石油，天然气）铀电能，氢能，汽油，柴油等(1) 人类社会对能源的需求不断增加。 能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。 人类社会的发展伴随着能源消耗的增加。表1 世界一次能源消费的增长率表2 世界一次商品能源构成 小型的可移动电源的需求量增长很快，这主要是信息技术发展的结果；特别是近年来笔记本电脑、手提电话等移动通信、摄像机、声像设备以及一些军用电子设备的发展，对电池的能量密度要求更高，并要求能够反复使用。因此促进了高容量二次电池的发展。石油/年天然气/年煤/年铀/年

2、世界495726260中国236110230图2 世界CO2排放量随时间的变化(6) 新能源的开发不断取得进展 太阳能、生物能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能。 新能源的开发一方面靠利用新的原理来发展新的能源系统，另一方面靠材料的开发与应用，使新系统得以实现，并提高效率，降低成本。新材料把原来习用已久的能源变为新能源。 如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温。高温。一些新材料可提高储能和能力转化效

3、果 如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。转化功能而发展起来的新型二次电池。 新材料决定着核反应堆的性能与安全性。 材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着投资与运行成本。 如：太阳电池材料决定着光电转换效率；太阳电池材料决定着光电转换效率； 燃料电池的电极材料决定着电池的质量和燃料电池的电极材料决定着电池的质量和 寿命；寿命； 材料的制备工艺又决定着能源的成本。材料的制备工艺又决定着能源的成本。 广义上，凡能源工业及能源利用技术所需的材料都可称为能源材料。新能源材料如增殖堆用核材料、太阳能电

4、池材料节能材料如非晶态金属磁性，超导材料。储能材料如贮氢（吸氢）材料，高比能电池材料几种二次电池的性能比较几种二次电池的性能比较：技术参数镍镉电池镍氢电池锂离子电池工作电压(V)1.21.23.6质 量 比 能 量(wh/kg)40-5080100-160体 积 比 能 量(wh/L)150200270-300寿命(次)5005001000自放电率(%/月)25-30206-8充电速率(C)1C1C1C不断涌现的电子新产品需要不断涌现的电子新产品需要性能更优性能更优的的电源电源如：如：Apple公司出品公司出品iPod photo播放音乐最长达播放音乐最长达15小时；小时；播放有音乐的幻灯片最

5、长达播放有音乐的幻灯片最长达 5 小时小时 APPLE的的iBook 需用容量为需用容量为: 3300 mAh ，10.8 V的锂的锂离子电池离子电池 市场期待己久的电动车需要市场期待己久的电动车需要功率更大功率更大的的电池电池，因而出，因而出现了现了第二代的锂离子电池第二代的锂离子电池l 第二代锂离子电池的特征： 大容量、高电压、长寿命、低价格大容量、高电压、长寿命、低价格l第二代锂离子电池的R&D; 以美囯能源部车用技术办公室支持的“先进运输用电池”项目（BATT）代表 寿命达寿命达1010年年； 1010年内容量衰退年内容量衰退20% 170wh/kg170wh/kg； 比功率比

6、功率 300w/kg300w/kg； 成本成本 150$/kwh20k/150$/kwh20k/年年 ( (即每年每即每年每20k20k单元的价格单元的价格 200A200A； 充放电速度快充放电速度快 循环寿命长循环寿命长 维护简单维护简单电池电池+ +超级电容器：可提供高的电能超级电容器：可提供高的电能量和电功率，满足电动汽车启动、量和电功率，满足电动汽车启动、加速、爬坡、制动之大功率需求加速、爬坡、制动之大功率需求超级电容器产品的性能超级电容器产品的性能与主要应用领域与主要应用领域根据电极材料命名有：根据电极材料命名有：碳电极电化学电容器：碳电极电化学电容器：电极材料：活性碳，碳基聚合物

7、，碳纳米材料；电极材料：活性碳，碳基聚合物，碳纳米材料；电解质：电解质：H H2 2SOSO4 4水溶液水溶液 或或 有机电解质有机电解质 或或 含有四烃基氨盐的固体电解质（其比含有四烃基氨盐的固体电解质（其比 表面积达表面积达1000m1000m2 2/g/g）双电层间距离：双电层间距离：2 23A3A；贮存容量：贮存容量：200200500F/g500F/g；产品电容器的比功率密度；产品电容器的比功率密度；4000 W/kg4000 W/kg电极材料：电极材料：RuORuO2 2 ，IrOIrO2 2等等优点：由于优点：由于RuORuO2 2电极的导电率比碳大电极的导电率比碳大2 2个个数

8、量级，在电解质数量级，在电解质H H2 2SOSO4 4中稳定，电容器有中稳定，电容器有更高的比能量，发展前景更好更高的比能量，发展前景更好 太阳能：太阳能：l最清洁、最强大的能源，取之不尽，用之不最清洁、最强大的能源，取之不尽，用之不竭；竭；l地面上，晴天，每平方米植物表面可接受地面上，晴天，每平方米植物表面可接受1000W1000W能量能量l20002000年以来美国推出了年以来美国推出了“国家光伏计划国家光伏计划”, ,日本的日本的“阳阳光计划光计划”, ,欧洲的欧洲的“尤里卡高科技计划尤里卡高科技计划”; ;l日韩欧合作建设全球规模最大的太阳能发电站日韩欧合作建设全球规模最大的太阳能发电站; ;l欧洲五家欧洲五家PVPV制造公司对日本五家公司展开激烈竞制造公司对日本五家公司展开激烈竞争争 促进了促进了PV PV 的的 R&DR&D、生产、应用迅猛发展、生产、应用迅猛发展; ;l太阳光能利用是近年来发展最快、最具活力的领域太阳光能利