现代新型材料与纳米材料新能源材料复习过程

1、现代新型材料与纳米材料新能源材料主要内容主要内容新能源材料新能源材料 储氢材料储氢材料新型二次电池材料新型二次电池材料 燃料电池材料燃料电池材料太阳能电池材料太阳能电池材料核能材料核能材料 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

2、平台海上石油开采平台严重的生态破坏严重的生态破坏 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，

3、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

4、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。 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

5、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。新能源材料新能源材料 新能源包括新能源包括 太阳能太阳能 生物质能生物质能 核能核能 风能风能 地热地热 海洋能海洋能 氢能氢能太阳能太阳能氢能氢能风能风能潮汐能潮汐能地热地热核能核能 2009年年，世界第八大石油公，世界第八大石油公司巴西石油公司旗下的生物司巴西石油公司旗下的生物能源公司代表来到成都，与能源公司代表来到成都，与四川大学生命科学学院洽谈四川大

6、学生命科学学院洽谈，希望能将，希望能将四川的麻风树四川的麻风树引引进到巴西种植。进到巴西种植。 麻风树是世界上公认的生物麻风树是世界上公认的生物能源树，能源树，其果实可全部用来其果实可全部用来炼取生物柴油炼取生物柴油，而且在，而且在“碳碳汇交易汇交易”市场上具有巨大潜市场上具有巨大潜力，力，麻风树种植麻风树种植麻风树果实麻风树果实- -小桐子小桐子 2011年年11月，从月，从小桐子中提炼出的生物航空燃料小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于应用于波音波音747客机在首都机场首次验证试飞成功。客机在首都机场首次验证试飞成功。 本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公本次试飞由国航、中石油、

7、美国波音公司和霍尼韦尔公司合作完成，司合作完成，我校陈放教授我校陈放教授应邀参加。应邀参加。 试飞成功标志着试飞成功标志着我国已具备研发生产航空生物燃料的技我国已具备研发生产航空生物燃料的技术能力术能力，这对于促进生物燃料应用，应对气候变化、解，这对于促进生物燃料应用，应对气候变化、解决能源问题具有重要意义。决能源问题具有重要意义。 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

8、二次电池材料 质子交换膜电池为代表的燃料电池材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新能源的应用新能源的应用储氢材料储氢材料

9、氢能是人类未来的理想能源。氢能是人类未来的理想能源。氢能热值高氢能热值高，如燃烧，如燃烧1kg氢可发热氢可发热1.4105kJ，相当于，相当于3kg汽油或汽油或4.5kg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11.1；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，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。氢能汽车、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

10、界特别关注的科技领域。 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。目前市售氢气一氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一般是在般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到钢瓶重量的钢瓶重量的1/100，且有爆炸危险，很不方便。，且有爆炸危险，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，主要包括氢材料，主要包括活性炭、无机化合物、有机化合活性炭、无机化合物、有机化合物以及合金化合物四大类储氢材料物以及合金化合物四大类储氢材

11、料。常用高压氢气瓶常用高压氢气瓶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2000m2/g以上，低温加压可吸附储氢。以上，低温加压可吸附储氢。活性炭活性炭原料易得，吸附储氢和原料易得，吸附储氢和放氢操作都比较简单放氢操作都比较简单。 富勒烯富勒烯(C60)和碳纳米管和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的吸附作用。对氢气具有较强的吸附作用。单层碳纳米管的吸氢量比活性单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高，炭高，H2的吸附量可达的吸附量可达5-10(质量分数质量分数)，有望成为新一，有望成为新一代储氢材料代储氢材料。富勒烯富勒烯C60碳纳迷管碳纳迷管无机化合物储氢无机化合物储氢 某些无机化合

12、物和氢气发生化学反应可储氢，然后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。在一定条件下分解可放氢。 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，吸氢和放氢反应为：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作为储氢剂，储氢量约为作为储氢剂，储氢量约为2(质质量分数量分数)。 该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储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。氢量比较小，催化剂价格较贵。释氢，70，0.1MPa吸氢，35，2.0MP

13、aOHHCO2223HHCO 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)与与H2的可逆反应来实现，的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。包括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环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为为7.19和和6.18(质量分数质量分数)，比高压储氢和金属氢化物，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其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。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

14、，储氢操作比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。较复杂。其中R=H、CH4H2，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氢气的合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，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，如形成金属氢化物，如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。等。氢

15、原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 b 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 Mg2

16、NiH4 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。四川大学材料学院储氢材料四川大学材料学院储氢材料课题组首创低成本课题组首创低成本V-Ti-Cr-Fe四元合金体系：四元合金

17、体系：在温和在温和条件下可快速吸氢饱条件下可快速吸氢饱和和:40，6min 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、钛稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等合金系列等。 大多数金属氢化物储氢量在大多数金属氢化物储氢量在1-4(质量分数质量分数)、能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和高压储氢，原料易得，安全可靠高压储氢，原料易得，安全可靠。储氢合金已成。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。为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。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 LaNi5是稀

18、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Philip实验室于实验室于1969年首先研制。年首先研制。 LaNi5在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物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：，如下式所示： LaNi5具有优良的储氢性能，块状具有优良的储氢性能，块状LaNi5合金储氢量合金储氢量约约1.4(质量分数质量分数)，分解压适中平坦，活化容易，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。具有良好的动力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

19、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、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储储氢合金，在氢合金，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，不不仅保持仅保持LaNi5的优良特性，而且在储氢量和动力学特的优良特性，而且在储氢量和动力学特性方面优于性方面优于LaNi5，价格仅为纯，价格仅为纯La的的1/5。2009年，年，西博

20、会上展出的川大宝生实西博会上展出的川大宝生实业公司生产的稀土储氢合金电池业公司生产的稀土储氢合金电池钛系储氢合金钛系储氢合金 TiFe具有优良储氢特性具有优良储氢特性，吸氢量约，吸氢量约1.75(质量分数质量分数)，室温下释氢压力约为，室温下释氢压力约为0.1MPa。价格较低，具有很。价格较低，具有很大实用价值。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；压力下进行活化；抗毒性弱抗毒性弱(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)置换部置换部分铁形成分

21、铁形成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等等)。TiFe0.8Mn0.2可在室温可在室温3MPa氢压下活化，生成氢压下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，储氢量达到氢化物，储氢量达到1.9wt。镁系储氢合金镁系储氢合金 在在300-400和较高氢压下，和较高氢压下，Mg2Ni与氢生成与氢生成Mg2NiH4，含氢量为，含氢量为3.65wt，理论储氢量可达，理论储氢量可达6%，但其稳定性强，释氢困难。，但其稳定性强，释氢困难。 用用Ca和和A1取代部分取代部分Mg形成形成Mg2-xMxNi，氢比物离，氢比物离解速度比解速度比Mg2Ni增大增大40以上，活化容易，具

22、有良以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性质稳定。好的储氢性能，性质稳定。 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/释氢的速度，具有实用价值。释氢的速度，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

23、相等的情况下，三者质量比为1：1.4：1.2，体积比为，体积比为1：4：1.3；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。，便于氢的运输和传递。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 储氢合金可分离氢气。储氢合金可分离氢气。混合气体混合气体流过储氢合金分离床，氢被吸收流过储氢合金分离床，氢被吸收形成金属氢化物，杂质排出；加形成金属氢化物，杂质排出；加热金属氢化物，得到回收氢气。热金属氢化物，得到回收氢气。反

24、复提纯可获得高纯氢气，反复提纯可获得高纯氢气， 每年大量含氢尾气放空每年大量含氢尾气放空(仅合成仅合成氨工业全国每年放空尾气数十亿氨工业全国每年放空尾气数十亿m3，含有，含有50-60%的氢气的氢气)，回，回收利用可提供大量廉价氢气，得收利用可提供大量廉价氢气，得到巨大的能源补充。到巨大的能源补充。氢气纯化装置氢气纯化装置氢气纯化工厂氢气纯化工厂 某些储氢合金的氢化物同氘、某些储氢合金的氢化物同氘、氚化物相比，同一温度下吸释氚化物相比，同一温度下吸释氘氚的热力学和动力学特性有氘氚的热力学和动力学特性有较大差别，可用于较大差别，可用于氢同位素的氢同位素的分离。分离。 TiNi合金吸收合金吸收D2

25、的速率为的速率为H2的的1/10，将含，将含7%D2的的H2导入到导入到TiNi合金中，每通过一次可使合金中，每通过一次可使D2浓缩浓缩50%，通过多次压缩和，通过多次压缩和吸收，氘的浓度可迅速提高，吸收，氘的浓度可迅速提高，同时回收大量高纯同时回收大量高纯H2。氢同位素的应用氢同位素的应用 金属氢化物也是理想的能量转换材料。金属氢化物也是理想的能量转换材料。 氢化物热泵氢化物热泵：以氢气为工作介质，储氢合金为能量：以氢气为工作介质，储氢合金为能量转换材料，相同温度下分解压不同的两种氢化物组转换材料，相同温度下分解压不同的两种氢化物组成热力学循环系统，以它们的平衡压差驱动氢气流成热力学循环系统

26、，以它们的平衡压差驱动氢气流动，使两种氢化物分别处于动，使两种氢化物分别处于吸氢吸氢(放热放热)和和放氢放氢(吸热吸热)状态，达到升温、增热或制冷目的。状态，达到升温、增热或制冷目的。 德国用德国用LaNi5/Ti0.9Zr0.1CrMn合金获得合金获得-25低温；低温； 日本用日本用MmNiMnAl/MmNiMnCo制备制冷系统，连制备制冷系统，连续获得续获得-20低温，制冷功率为低温，制冷功率为900-1000W。 储氢合金电极替代储氢合金电极替代NiCd电池中的电池中的Cd负极，组成镍负极，组成镍-氢化物电池，氢化物电池，不但具有高能量密度，而且耐过充，不但具有高能量密度，而且耐过充，放

27、电能力强，无重金属放电能力强，无重金属Cd对人体和环境的危害。对人体和环境的危害。储氢合金在镍氢电池上的应用储氢合金在镍氢电池上的应用新型二次电池材料新型二次电池材料 一次电池使用后常随普通垃圾一起被丢弃或掩埋，一次电池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壤。污染地下水和土壤。 二次电池或蓄电池：二次电池或蓄电池：放电时通过化学反应产生电能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，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存起来。能形式重新储存起来。镍

28、氢充电电池镍氢充电电池Li离子充电电池离子充电电池 传统二次电池如铅酸电池和镉镍电池理论比能量低传统二次电池如铅酸电池和镉镍电池理论比能量低，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)和锂和锂离子电池离子电池(表示为表示为LIB电池电池)，不但性能优良，而且污，不但性能优良，而且污染较小，被称为绿色电池。染较小，被称为绿色电池。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/MH电池的正极材料采用电池的正极材料采用Ni(OH)2，负极材料

29、为，负极材料为储氢合金，电解质为储氢合金，电解质为KOH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/Cd电池的电池的1.5-2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Cd元素对环境的污染。元素对环境的污染。 Ni/MH二次电池二次电池 Ni/MH电池在充放电中产生如下电极反应，工作原电池在充放电中产生如下电极反应，工作原理如图所示：理如图所示： 正极：正极： 负极：负极： 电池反应：电池反应：-2OHi(OH)N 放充eOHNiO

30、OH2 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(M

31、nV)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Ni/MH电池的电解质是电池的电解质是KOH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水溶液具有强腐蚀性，液体电解质给电池加制作带来不便。作带来不便。 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KOH是是Ni/MH电池的一个

32、发展趋势电池的一个发展趋势。 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作为电解质，电池的电化学性能与普通KOH电解电解质电池相近。质电池相近。 Ni/MH电池开发重点是电池开发重点是大功率、高容量方向大功率、高容量方向。国际。国际上主要汽车公司如上主要汽车公司如GM、Ford和和Toyota等相继开发等相继开发出出Ni/MH电动汽车和混合电动汽车，电动汽车和混合电动汽车， GM公司生产的公司生产的Ni/MH电池动力车，单次充电后可电池动力车，单次充电后可行驶行驶225km，时速为，时速为150公里。公里。GM生产

33、的生产的EVI汽车，用汽车，用26个个12V的电的电池，池，3小时充电后时速可达到小时充电后时速可达到150公里公里 日本日本Toyota公司开发出世界上第一个商品化的混合动力公司开发出世界上第一个商品化的混合动力车，该车采用车，该车采用240只高功率的只高功率的Ni/MH电池串联电池组提供电池串联电池组提供动力，总电压动力，总电压288V，容量为，容量为6.5Ah。丰田公司生产的丰田公司生产的RAV4-EVI汽车，充电一次可行驶汽车，充电一次可行驶215公里公里 2010年，我国电动汽车已从研发阶段进入产业化阶年，我国电动汽车已从研发阶段进入产业化阶段，成为全球电动汽车产业和市场开拓中一支不

34、可段，成为全球电动汽车产业和市场开拓中一支不可忽视的力量。忽视的力量。 未来五至十年，未来五至十年，混合动力汽车混合动力汽车将成为传统汽车节能将成为传统汽车节能技术改造、升级换代的主要方向，纯电动汽车将成技术改造、升级换代的主要方向，纯电动汽车将成为近期发展战略的主流，为近期发展战略的主流，一汽丰田的普锐斯混合动力汽车一汽丰田的普锐斯混合动力汽车上海通用的雪佛兰混合动力汽车上海通用的雪佛兰混合动力汽车 我国已建立了具有自主知识产权、适用于中国公共我国已建立了具有自主知识产权、适用于中国公共交通和私人汽车市场特色的混合动力、纯电动、燃交通和私人汽车市场特色的混合动力、纯电动、燃料电池动力系统技术

35、平台，料电池动力系统技术平台，掌握了整车集成技术。掌握了整车集成技术。 在电机、电池和控制系统方面，在电机、电池和控制系统方面，车用镍氢和锂离子车用镍氢和锂离子电池、车用燃料电池等电池、车用燃料电池等对电动汽车性能有决定性影对电动汽车性能有决定性影响的零部件领域，我国也取得重要进展。响的零部件领域，我国也取得重要进展。2010年年5月，成都月，成都4辆电动公辆电动公交车上路，分别运行交车上路，分别运行16路路和和28路，充电后空载可行路，充电后空载可行驶驶270多公里多公里LIB锂离子二次电池锂离子二次电池 Li是最轻的金属元素是最轻的金属元素，它的标准电极电位是，它的标准电极电位是-3.04

36、5V，是是金属中负电位最大的元素金属中负电位最大的元素，因此，因此Li负极电池的开发负极电池的开发受到极大重视，与受到极大重视，与Ni/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 LIB电池具有工作电压高、比能量高、容量大、循环电池具有工作电压高、比能量高、容量大、循环特性好、重量轻、

37、体积小等优点，而且特性好、重量轻、体积小等优点，而且LIB无记忆效无记忆效应应，不需将电放尽后再充电；，不需将电放尽后再充电；LIB自放电小，每月在自放电小，每月在10以下，以下，Ni/MH电池自放电一般为电池自放电一般为30-40。 仅仅2000年，日本就销售了年，日本就销售了4亿多只亿多只Li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 LIB电池是一种电池是一种Li离子浓度差电池离子浓度差电池，充放电中，充放电中，Li离离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。 充电时，充电时，Li离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，离子

38、从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入负极嵌入负极，使负极处于富，使负极处于富Li离子态，正极处于贫离子态，正极处于贫Li态；态；放电时，放电时，Li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)34007903727002000年代年代19651971199019951998金属金属Li容量最高，但在容量最高，但在LIB电池的长期充放电中，电池的长期充放电中， Li与有机电解质发生

39、反应，发生与有机电解质发生反应，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eLiCoO2 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 纳米碳材料具有传统碳材料无法纳米碳材料具有传统碳材料无法比拟的高

40、比容量比拟的高比容量。 纳米碳管由于特殊的管状结构，纳米碳管由于特殊的管状结构，Li离子不仅可嵌入管内，还可嵌入离子不仅可嵌入管内，还可嵌入管壁缝隙，具有嵌入深度小、过管壁缝隙，具有嵌入深度小、过程短、嵌入位置多等优点，可提程短、嵌入位置多等优点，可提高高Li离子电池的充放电容量离子电池的充放电容量。 用纳米碳管作负极，电池理论容用纳米碳管作负极，电池理论容量超过石墨嵌量超过石墨嵌Li化合物理论容量一化合物理论容量一倍以上。倍以上。纳米碳管的显微形貌纳米碳管的显微形貌纳米碳管的显微结构纳米碳管的显微结构 LIB电池的电池的Li离子源由正极材料提供。离子源由正极材料提供。LiCoO2是最是最早商

41、品化的正极材料。由于早商品化的正极材料。由于Co资源少资源少(地球已探明地球已探明Co储量为储量为1000万吨，而万吨，而Mn量是量是Co的的500倍倍)，人们，人们开发了开发了LiNiO2、LiMn2O4材料。材料。LIB正极材料的性能正极材料的性能正极正极材料材料理论比容量理论比容量(mAh/g)实际比容量实际比容量(mAh/g)密度密度(g/cm3)特点特点LiCoO2275130-1405.00性能稳定，放电电压性能稳定，放电电压稳定，价格高稳定，价格高LiNiO2274170-1804.78热稳定性差热稳定性差LiMn2O4148100-1204.28安全性高，高温循环安全性高，高温

42、循环和存放性差，价格低和存放性差，价格低 锂电池隔膜锂电池隔膜(以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃隔膜以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃隔膜)是是锂电池产业发展的关键材料。锂电池产业发展的关键材料。 我校我校与与深圳星源材质公司深圳星源材质公司合作开展锂离子电池隔膜合作开展锂离子电池隔膜研制，取得重大突破。研制，取得重大突破。我校提供我校提供锂电池隔膜制造工艺、装备设计及配方等关键技锂电池隔膜制造工艺、装备设计及配方等关键技术术，形成具有核心竞争能力的专有技术和工艺，产品技术，形成具有核心竞争能力的专有技术和工艺，产品技术指标可媲美进口产品，填补国内空白，打破国外垄断。指标可媲美进口产品，填补国内空白，打

43、破国外垄断。燃料电池材料燃料电池材料 燃料电池是直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能燃料电池是直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效且与环境友好地转化为电能的材料高效且与环境友好地转化为电能的材料。它是继水。它是继水力、热能和核能发电后的力、热能和核能发电后的第四种发电技术第四种发电技术。 燃料电池与二次电池不同的是燃料电池与二次电池不同的是不在内部储存能量，不在内部储存能量，利用输入燃料与氧的氧化还原反应输出电能利用输入燃料与氧的氧化还原反应输出电能。甲醇燃料电池（甲醇燃料电池（DMFC） 许多国家投入大量人力和财力进行燃料电许多国家投入大量人力和财力进行燃料电池研究，相继开发：池研究，相继开

44、发：碱性氢氧燃料电池碱性氢氧燃料电池AFC磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池PAFC熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池MCFC固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池SOFC质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池PEMFC甲醇燃料电池甲醇燃料电池DMFC碱性氢氧燃料电池碱性氢氧燃料电池磷酸燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池燃料电池应用燃料电池应用碱性氢氧燃料电池碱性氢氧燃料电池AFC 1952年，培根研制出具有碱性年，培根研制出具有碱性氢氧燃料电池氢氧燃料电池(AFC)，标志着，标志着燃料电池进入实用化时代。燃

45、料电池进入实用化时代。 培根电池的电极材料为培根电池的电极材料为Ni，电，电解质为浓度解质为浓度30的的KOH溶液溶液，氢为燃料，氧为氧化剂。，氢为燃料，氧为氧化剂。 工作电压为工作电压为30V，平均输出功，平均输出功率率600W，工作寿命大于，工作寿命大于400h，成为，成为Apllo登月飞船电源。登月飞船电源。氢氧燃料电池构造示意图氢氧燃料电池构造示意图 航天用碱性燃料电池是石棉膜碱性燃料电池航天用碱性燃料电池是石棉膜碱性燃料电池。电池用含电池用含32KOH水溶液的石棉体作电池隔膜，平均输水溶液的石棉体作电池隔膜，平均输出功率出功率7kW，电压为，电压为30V，寿命达到，寿命达到2500h

46、。哥伦比亚号、挑战者号等航天飞机使用石棉膜碱性燃料电哥伦比亚号、挑战者号等航天飞机使用石棉膜碱性燃料电池，累计飞行时间超过池，累计飞行时间超过27000h。哥伦比亚号哥伦比亚号发现者号发现者号挑战者号挑战者号 为适应未来为适应未来1000kW级、超长寿命的航天电源要求，级、超长寿命的航天电源要求，碱性燃料电池改进后工作寿命延长到碱性燃料电池改进后工作寿命延长到105h。 AFC另一重要应用领域是作为潜艇动力电源另一重要应用领域是作为潜艇动力电源，德国，德国西门子公司已开发出西门子公司已开发出100kW的的AFC在潜艇上使用。在潜艇上使用。阿穆尔潜艇的燃料电池组阿穆尔潜艇的燃料电池组俄基洛级常规

47、燃料电池潜艇俄基洛级常规燃料电池潜艇德阿穆尔燃料电池潜艇德阿穆尔燃料电池潜艇磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池PAFC 磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池(PAFC)是用天然气重整气为燃料，是用天然气重整气为燃料，空气为氧化剂，以浸有浓空气为氧化剂，以浸有浓H3PO4的的SiC微孔膜作电解微孔膜作电解质，质，Pt/C为电催化剂，产生的直流电经过变换后供为电催化剂，产生的直流电经过变换后供给用户使用的电池。给用户使用的电池。磷酸燃料电池磷酸燃料电池 50-200kW的的PAFC可供现场可供现场使用使用，作为医院、银行的不，作为医院、银行的不间断电源使用。间断电源使用。 1000kW以上的以上的PAFC可供区

48、可供区域性电站使用域性电站使用。 世界有大量世界有大量PAFC电站，最电站，最长已运行数万小时，具有高长已运行数万小时，具有高度的可靠性。度的可靠性。 PAFC工作时启动时间较长工作时启动时间较长，不适合作移动电源。，不适合作移动电源。磷酸型燃料电池用做不间断电源磷酸型燃料电池用做不间断电源磷酸型燃料电池电站磷酸型燃料电池电站熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)(MCFC) 熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以熔融碳酸盐为电解以熔融碳酸盐为电解质，燃料是氢或天然气，氧化剂为氧气或空气与质，燃料是氢或天然气，氧化剂为氧气或空气与二氧化碳的混合气体二氧化碳的混合气体，电极

49、反应为如下所示，电极反应为如下所示， 阴极：阴极： 阳极：阳极： 总反应：总反应： 2322CO2e4CO2Oe4OH2CO2CO2H222232 OH2H2O222 MCFC中中导电离子是导电离子是CO32-，在阴极在阴极CO2是反应物，是反应物，在阳极在阳极CO2是产物。是产物。为使电池稳定连续工作，必须为使电池稳定连续工作，必须将阳极的将阳极的CO2产物返回到阴极。产物返回到阴极。MCFCMCFC燃料电池工作原理燃料电池工作原理 MCFC电池由阳极、阴极、隔膜和双极板组成电池由阳极、阴极、隔膜和双极板组成。 MCFC的工作温度为的工作温度为600-700，且维持一定压力，且维持一定压力，

50、Ni阳极工作一段时间后会变形，阳极工作一段时间后会变形，MCFC采用向采用向Ni中中加入加入Cr、A1等合金元素，利用第二相弥散强化形成等合金元素，利用第二相弥散强化形成高温下不易变形的高温下不易变形的NiCr、NiAl合金合金。 隔膜是隔膜是MCFC的核心部件的核心部件，要求强度高，耐，要求强度高，耐高温熔高温熔盐腐蚀盐腐蚀，浸入电解质后具有良好的离子导电性。，浸入电解质后具有良好的离子导电性。MCFC隔膜使用隔膜使用LiAlO2，它在高温熔盐中具有很强它在高温熔盐中具有很强的抗碳酸熔盐腐蚀的能力。的抗碳酸熔盐腐蚀的能力。 MCFC电池工作温度为电池工作温度为650，余热利用价值高，余热利用

51、价值高，电池不使用贵金属催化剂，同时还具有发电效率电池不使用贵金属催化剂，同时还具有发电效率高、噪音低、污染小、余热利用率高等优点高、噪音低、污染小、余热利用率高等优点，适，适用于中、小型分散电站的建立，是充分利用能源用于中、小型分散电站的建立，是充分利用能源和减少环境污染的一种有效手段。和减少环境污染的一种有效手段。 国际上大多国际上大多MCFC电站已经进入安装试运行阶段电站已经进入安装试运行阶段，一些兆瓦级电站的运行时间已经超过，一些兆瓦级电站的运行时间已经超过2万小时。万小时。固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)(SOFC) 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池包括电解质材料

52、、电极材料包括电解质材料、电极材料和连接材料和连接材料。 O2在具有在具有催化活性催化活性的阴极上被还原成的阴极上被还原成O2-，O2-在电在电池两侧氧浓度差的驱动下，通过电解质中的氧空池两侧氧浓度差的驱动下，通过电解质中的氧空位定向迁移到阳极上，与燃料进行氧化反应。位定向迁移到阳极上，与燃料进行氧化反应。SOFC燃料电池工作原燃料电池工作原理理 钇稳定钇稳定ZrO2陶瓷陶瓷(YSZ)是是SOFC中应用最广的电解质中应用最广的电解质材料。材料。 阴极采用具有较高离子导电率的钙铁矿氧化物阴极采用具有较高离子导电率的钙铁矿氧化物，Sr掺杂掺杂LaMnO3是目前最常用的阴极材料。是目前最常用的阴极材

53、料。 阳极材料采用金属阳极材料采用金属Ni，管式管式SOFC燃料电池燃料电池 SOFC燃料来源广泛，不需贵金属催化剂，电池不含燃料来源广泛，不需贵金属催化剂，电池不含腐蚀性介质，能量综合利用率达到腐蚀性介质，能量综合利用率达到70以上以上。 SOFC电池被认为是最有效率的万能电池，可用于发电池被认为是最有效率的万能电池，可用于发电、交通、宇航等许多领域。电、交通、宇航等许多领域。德西门子公司和美西屋公司在德西门子公司和美西屋公司在加州大学建立的加州大学建立的SOFC电站电站德西门子公司和美西屋公司在德西门子公司和美西屋公司在荷兰建立的荷兰建立的SOFC电站电站质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电

54、池(PEMFC) PEMFC是一种以是一种以全氟磺酸固全氟磺酸固体聚合物体聚合物为电解质，以为电解质，以Pt/C或或Pt-Ru/C为催化剂，以为催化剂，以氢或氢或净化重整气净化重整气为燃料，以为燃料，以空气空气或纯氧或纯氧为氧化剂，以为氧化剂，以带有气带有气体流动通道的石墨或金属板体流动通道的石墨或金属板为双极板的新型燃料电池。为双极板的新型燃料电池。 构成构成PEMFC电池的材料有电电池的材料有电催化剂、电极、质子交换膜催化剂、电极、质子交换膜、双极板材料。、双极板材料。PEMFCPEMFC电池工作原理电池工作原理 电催化剂要求对特定电极反电催化剂要求对特定电极反应有良好的催化活性，还要应有

55、良好的催化活性，还要求耐腐蚀和良好导电性，求耐腐蚀和良好导电性，一一般选择般选择Ni、Pt及其合金及其合金。多孔多孔Ni的微观形貌的微观形貌 PEMFC为提高电流密度，减为提高电流密度，减少极化，需增加反应面积。少极化，需增加反应面积。可采用可采用多孔扩散电极多孔扩散电极，形成，形成传导气、水、电的三维反应传导气、水、电的三维反应界面，界面，比表面积比平板电极比表面积比平板电极提高提高3-5个数量级，个数量级，大幅提高大幅提高电极的极限电流密度。电极的极限电流密度。PEMFC电池的多孔扩散电极构成电池的多孔扩散电极构成 PEMFC具有能量转化率高、环境友好等优点，在具有能量转化率高、环境友好等

56、优点，在室温下可快速启动、无电解液流失、水易排出、寿室温下可快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长，命长，特别适合作移动电源使用特别适合作移动电源使用。 在未来以氢为主要燃料的氢能时代，在未来以氢为主要燃料的氢能时代， PEMFC将得将得到更广泛的应用。到更广泛的应用。PEMFC电池在电瓶车上的应用电池在电瓶车上的应用挑战杯北航的无人驾驶验证机中挑战杯北航的无人驾驶验证机中应用应用PEMFC电池作为电源电池作为电源 直接甲醇燃料电池是直接甲醇燃料电池是PEMFC中的一类，直接使用中的一类，直接使用水溶液以及蒸汽甲醇为燃料供给来源，水溶液以及蒸汽甲醇为燃料供给来源，不需通过重不需通过重组甲醇、

57、汽油及天然气等再取出氢以供发电组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。 相较于相较于PEMFC，DMFC燃料成分危险性低，电池燃料成分危险性低，电池结构简单，成为可携式电子产品应用的主流。结构简单，成为可携式电子产品应用的主流。直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池(DMFC)Sharp研制的高功研制的高功率率DMFC电池，应电池，应用于移动设备用于移动设备 2012年，工信部将在年，工信部将在沪、晋、陕沪、晋、陕三地开展甲醇汽车三地开展甲醇汽车试点，燃料将以试点，燃料将以高比例高比例M85(加入加入85%甲醇调配甲醇调配)和和M100(纯甲醇燃料纯甲醇燃料)两大类型为主。两大类型为主。甲醇采取煤基

58、生产路线，甲醇采取煤基生产路线，经济优势明显经济优势明显，出租车使用，出租车使用M100燃料，油费可从燃料，油费可从0.8元元/公里降到公里降到0.55元元/公里；公里；甲醇是甲醇是清洁替代能源清洁替代能源，一些煤制甲醇可回收，一些煤制甲醇可回收70%的的CO2排排放，综合排放致癌物仅为汽柴油的放，综合排放致癌物仅为汽柴油的20%。 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3.81018kW，远大于，远大于人类对能源的需求量；人类对能源的需求量；分布广泛，不需要开采和运输；分布广泛

59、，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

60、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：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材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，下，空穴和电子越过势垒，电子进入电子进入n区，空穴进入区，空穴进入p区，区，被分离的电子和空穴由电极收集并输出，形成光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。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