新能源材料的主要进展

1、新能源材料的主要进展在科学发展观的指引下，我国电化学与新能源领域的专 家们正致力于研究该领域内的若于新问题，开发新技术，提 供新产品，积极为经济繁荣与社会进步服务。参照国内国际 的发展，结合我们的研究工作，本文对相关领域的一些重要 前沿作一简单介绍金属氢化物镍电池材料，锂离子二次电池 材料，燃料电池材料，太阳能电池材料等:金属氢化物镍电池材料镣氢电池是我国具有较强资源优势的高科技产品，在国 际市场具有较强的竞争优势。2005年，我国出口镣氢电池9 108只，超过日本成为镣氢电池的第一生产大国，确立了我 国作为世界镣氢电池生产基地的战52第78期 蒋利军 等：新能源材料的研究进展略地位。镣氢动力

2、电池已进入成 熟期，在商业化、规模化应用的混合动力汽车中得到了实际 验证，全球已经批量生产的混合动力汽车大多采用镣氢动力 电池。目前技术较为领先的是日本Pa nason icEV Energy公司, 其开发的电池品种主要为615 Ah电池，形状有圆柱型和方 型两种形式，电池比能量为45 Wh /kg ,比功率达到1 300W /kg。采用镣氢动力电池的Pr i us混合动力轿车在全 球销售约120万辆，并已经受了 11年左右商业运行考核。 随着Pr i us混合动力轿车需求增大，原有的镣氢动力电池的 产量已不能满足市场需求,Panaso2n icEV Energy公司正在福 岛县新建一条可满足

3、106台/ a电动汽车用镣氢动力电 池的生产线，计划3年后达产。近年来，在国家863电动汽车专项的支持下，镍氢动力 电池取得了较大发展，长春一汽、东风电动车辆股份有限公 司和长安汽车等单位在其开发的混合动力轿车、混合动力客 车中，大多使用了镍氢动力电池，清华大学开发的燃料电池 混合动力客车也使用了镍氢动力电池作为辅助动力。开发的镍氢动力电池的主要品种有80 Ah， 40 Ah，28 Ah，8 Ah，615 Ah， 其中80 Ah电池的比功率达 到550W /kg，8 Ah电池的比功率达到1 000W / kg。采用 40Ah /288V镍氢电池为辅助动力的油-电混合动力客车已 完成105km实

4、际路况的运行实验。近年来针对负极储氢合 金的研发主要集中于以下几个方面：通过多元合金化调节材 料热力学特性，改善材料的电催化活性，以改善材料在宽温 度范围内的综合电化学性能；通过快速冷却等工艺实现合金 成分结构的均匀化，细化品粒，以抑制材料粉化，降低腐蚀 速率，改善材料的电化学循环稳定性；通过采用廉价金属替 代钻以降低材料成本等。在新材料的开发方面AB315合 金 取得了较大进展，该合金容量可达430mAh /g , -40 e下容量达到常温容量的70%左右，在宽温度范围内的 电极反应电荷转移阻抗和传质扩散阻抗等特性均小于AB5 型合金，但其循环稳定性仍有待提高。日本已将此类材料用 于超高容量

5、、低自放电和低温型镍氢电池上，于2005年底 推出了系列超高容量、低自放电的小型镍氢电池，如容量为 2 700 mAh的 AA型和1 000mAh的 AAA型电池，电池储 存1年后容量仍可保持85%。2007年我国稀土系AB5型 储氢合金的年生产能力为20 500 t,实际产量13 000 t ,目前主要生产厂家有18家，分布于福建、北京、内蒙古、 辽宁、广东和甘肃等地。日前镍氢电池所采用的正极材料均为B球型N i(OH) 2,镍氢动力电池正极材料的研发重点是改善高温条件 下高倍率充放电效率及其可靠性，主要方法为调整材料组分, 掺杂稀土氧化物及其进行颗粒表面修饰等。此外，还开展了 材料的低维化

6、研究以提高材料的震实密度及质子的扩散速 率，通过金属置换、嵌入式双氢氧化物和C /Ni(OH ) 2复合 正极材料的研究以增加电极反应电子转移数，提高材料比容 量等。二：锂离子二次电池材料锂离子电池是1991年由日本SONY公司开发完成的锂 离子电池系统(LiCoO2 / C)后进入量产阶段的。这种新型 蓄电池具有高的工作电压(平均工作电压为3.63.7V)和高 的比能量，优于常用的镣镉电池和镣氢电池，还具有长循环 寿命、无记忆效应(如果电池的电量没有被完全放尽就充电 导致的电池容量降低的现象)和污染少(锂离于电池的金属 含量最低)等优点，因此成为目前商业开发二次电池的主流。高能电池的开发首先

7、从寻找高比能量的电极材料开始。 在所有金属元素中，锂的相对原子质量最小(6.941)、密度最 小(0.534X103Kgm-3)、电化当量最小(0.259gAh-1)、电极电 位最负(-3.045V vs. NHE),因此，以金属锂为负极的电池具 有最高的工作电压、最大的比能量。再加上锂高分子电池的发明，使用高分子电解质不但没 有漏液的问题，而且由于锂离于电池具有优异的电性能及安 全、无公害，形状有高度的可塑性等特点，符合电子产品轻、薄、短、小的要求，所以备受各国科学家及电池业的重视， 发展极快。锂离子电池被人们称为“绿色环保能源”和“跨世 纪的能源革命”。然而，锂离子电池目前还处于初级研究阶

8、段，无论在正 极材料、负极材料还是电解质材料的研制方面都还不成熟。 根据已有的研究成果。锂离于电池因其科技含量高、用途广 的许多优点，必然会占有较大的市场份额，发展前景十分看 好，是手机、照相机、电子手表、计算器、各种具有储存功能的电子器件或装置的理想电源。正极材料:锂离子电池正极材料不仅作为 电极材料参与电化学反 应，而且是电池的锂离子源。现在已经用于锂离子电池生产 的正极材料为LiCoO2。比较廉价的电极材料为LiNiO2和LiMn2O4，它们正在被广泛研究并已经在电池中试用。负极材料：在二次锂离子电池的发展中，其负极材料经历了由金属锂到锂合金、碳材料、氧化物、纳米合金的演变过程：负极材料

9、金属锂锂合金（如 LiAl）碳材料（石墨）氧化物（如细。）纳米合金（如纳米硅）容量/（mA，h/g）3 400%790372 ,7002 000年代19651971198019951998在20世纪60年代，负极材料主要是金属锂，它是比容 量最高的负极材料。由于金属锂异常活泼，所以能与很多无 机物和有机物反应。在锂电池中，锂电极与非水有机电解质 反应，在表面生成一层钝化膜，使金属锂在电解质中稳定存 在，这是锂电池得以商品化的基础。I对于二次锂电池，在充电过程中，锂将重新回到负极， 新沉积的锂表面没有钝化膜保护，非常活泼，部分锂将与电 解质反应并被反应产物包裹，与负极失去电接触，形成弥散 态的锂

10、。与此同时，充电时在负极表面会形成树枝状晶，造 成电池短路，使电池局部温度升高，融化隔膜，软短路变成 硬短路，电池被毁，甚至爆炸起火。为了解决这一问题，现在主要在三个方面展开研究：寻找替代金属锂的负极材料；采用聚合物电解质来避免金属锂与有机溶剂反应；改进有机电解液的配方，使金属锂在充放电循环中保 持光滑均一的表面。前两个方面的研究已取得重大进展，但直接使用金属锂 做负极仍处于研究状态。随着SONY公司用碳作为负极材料的锂离于电池的商 业化，对碳负极材料的研究正蓬勃开展。用碳取代金属锂作 负极，电池的安全性大大提高；同时，在充放电的过程中不 会形成枝晶，避免了电池内部短路，大大延长了电池的寿命。

11、在众多的碳材料中，以石油焦为负极的C/Li电池具有 良好的可逆性的库仑容量，所以，以往研究大都集中在石油 焦和石油焦纤维上。近年来发现，有机物裂解碳具有较好的 可逆性和容量，它给寻找锂离子电池用碳材料开辟了新的研 究方向。三：燃料电池材料燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电 能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能 发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池不受卡 诺循环效应的限制，效率高；燃料电池用燃料和氧气作为原 料，排放出的有害气体SOx、NOx极少；同时没有机械传动 部件，故没有噪声污染。由此可见，从节约能源和保护生态 环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的

12、发电技术。1839年Grove利用氢、氧反应生成水，同时有电流产生 的原理发明了氢-氧燃料电池，但由于原材料等原因，研究进 展十分缓慢。直到二十世纪六十年代，美国阿波罗宇宙飞船为实现登 月计划需要一种不产生废料的大功率、高能量密度的电源， 才使碱性燃料电池(AFC)在航空航天领域进入实用化阶段， 但其昂贵的成本限制了其商业化的可能性。半个世纪以来，美国、日本等国投入了大量人力、财力 进行燃料电池的研究，相继开发了磷酸型燃料电池（PAFC）、 熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池 （SOFC）。其中，磷酸型燃料电池被称为第一代燃料电池，它采用H3PO4液体作为电解质，用由催化剂（

13、Pt或其合金）和载体（碳黑）组成的多孔材料作电极。其装机容量可超过万千 瓦级规模，电流密度已到200mA/cm2以上，是目前开发研 究水平较高、商业化进程最快、最实用化的燃料电池。熔融碳酸盐型燃料电池是第二代燃料电池，所用的电解 质主要为熔融的碱金属碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物，阳极 是以镍为主的多孔材料，阴极为多孔掺锂氧化物，运行温度 较高，故不需要贵金属作催化剂；发电效率高，有希望发展 成大规模发电技术。固体氧化物燃料电池（SOFC）作为第三代燃料电池， 以固态氧化物作为电解质，阳极材料常用的是Ni/YSZ（Y2O3 稳定ZrO2）金属陶瓷，阴极材料为钙钛矿型复合氧化物。SOFC被认为是最有

14、效率的和万能的发电系统，特别是 作为分散的电站，可用于发电、热电联供、交通、空间宇航 和其他许多领域，被称为21世纪的绿色能源。自20世纪80 年代以来，对SOFC的研究开发速度加快，但真正达到商业 化应用预计还需要相当长的一段时间。四：太阳能电池材料太阳能电池的原理及发展状况进行详细阐述，并对太阳能电池及其关键材料的市场发展方向进行了展望。关键词太阳能电池，转换效率，品体硅，薄膜1太阳能电池的发展概况自1954年在美国贝尔实验室成功研制出来第1块单品 硅太阳能电池以来，开启了人类对太阳能在发电方面使用的 一扇大门。1 958年太阳电池首先在航天器上得到应用。20 世纪70年代初，硅太阳电池开

15、始在地面应用。从80年代起， 太阳能电池效率大幅度提高，生产成本进一步降低。从1990 年到2000年，光伏组件的销售每年平均以20%的速率增长， 特别是从1997年以来，年增长速度上升到30%。近5年期 间，世界光伏市场以平均每年4%的幅度增加，到2010年伞 球市场容量将增加到400亿欧元。到2050年，可再生能源 占总一次能源的54%，其中太阳能的比例约为13%15%； 到2100年，可再生能源将占86%，太阳能占67%，据美国 华盛顿World watch研究院于2007年5月下旬的评估：多品 硅太阳能工业的成本将快速下降，这将使其成为今后几年内 的主流发电方，至2010年，成本将下降

16、40%以上，多晶硅 太阳能行业极有可能在20082009年重新进入黄金发展期 L “。日本从1991年开始到2001年在建筑屋顶安装光伏系 统累计333MW，平均每年增长20MW。美国L8j 1980年正 式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元， 1997年宣布“百万屋顶光伏计划”，到2010年将安装1000 3000MW太阳电池。德国从1999年启动“屋顶光伏”计划， 当年安装 7MW, 2000 年 39MW, 2001 年 77MW，到 2003 年达到405Mw。2002年，我国国家计委启动了 “西部省区 无电乡通电计划”，光伏用量达到16. 5MW。2006年我国产 量达

17、到460MW，比2005年增加280%，可再生能源发展空 间巨大。基金项目：国家863项目 (2007AA032226)；国家重点973计划(2002CB211800)作者简介：李丽(1977)，女， 博士，副教授.硕士生导师，从事绿色二次电池及相关材料 研究。张贵友(1983)，男，硕士研究生，从事太阳能电池及 相关材料制备研究。联系人：吴锋(1951).男，教授，博 士生导师。2品体硅太阳能电池2. 1单品硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电 池，以高纯的单品硅棒为原料，纯度要求99. 999%，其结 构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。德国费 莱堡太阳能研

18、究所制得的电池转化效率超过23%。BP Solar 公司采用UNSW开发的激光刻槽埋栅技术生产出的电池平 均效率达到17%。印度物理研究所提出一种内部光陷作用的 高效硅太阳电池模型可将转换效率提高到28. 6%。北京太 阳能研究所研制的刻槽埋栅电极2crux2em品体硅电池的转 换效率达到19. 79%|。单品硅太阳能电池转换效率最高但对 硅的纯度要求高，且复杂工艺和材料价格等肉素致使成本较 高。2. 2多品硅太阳能电池多晶硅太阳能电池材料多半是含有大量单品颗粒的集 合体，或用废次单品硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，在 结品的质量及纯度等方面较低，所以效率也较低。目前大规 模工业化生产的多晶硅

19、太阳能电池的转换效率已达到了 12%14%的水平，实验窜最高转换效率为18%。到2010 年，多品硅产最将增加l倍，预计多品硅太阳能电池在未来仍然会很快的发展。3薄膜太阳能电池3. 1非晶硅薄膜太阳能电池20世纪70年代Carlson等就已开始对非晶硅电池的研 制，相对于单晶硅太阳能电池，材料消耗少、电耗低、成本 低。非晶硅的光学带隙为1. 7eV,对太阳辐射的长波区域不 敏感，还存在光致衰退Sw效应，可通过制备叠层太阳能电 池缓解这些问题。目前单结非晶硅太阳能电池转换效率已经 超过12. 5。Sanyo公司利用非晶硅沉积在绒面单品硅片的 两面上，制备出100mmX 100mm的电池效率可达2

20、1%, 800mmX1200mm的电池效率可达18. 4%。日本钟渊化学工 业公司开发薄膜多晶硅与薄膜非晶硅叠合的混合型薄膜硅 太阳能电池，稳定效率为11. 5%L2。国内耿新华等采用工 业材料，制备出面积为20cmX 20cm的a-Si / a-Si叠层太阳 能电池，转换效率为8. 28%。如能解决其稳定性等问题， 则将在光伏产业中占有越来越鼋要的地位。3. 2多品硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜在长波段具有高光敏性，能有效吸收可见 光且光照稳定性强，是目前公认的高效率、低能耗的理想材 料。驯。目前，商品多晶硅薄膜太阳能电池的转换效率约为 12%14%,产量占硅太阳能电池的50%左右。德国费莱堡

21、太阳能研究所采用区域再结品技术在Si衬底上制得的电池 转换效率为19%L2弓|。日本京工陶瓷公司研制的15cruX 15cm的电池转换效率也达到了 17%。澳大利亚新南威尔士 大学，采用热交换法生长的多晶硅制备的电池，转换效率达 到18. 2%。可以看出，多晶硅薄膜太阳能电池的发展很快将来可望使得光伏发电的成本能够与常规能源相竞争L3。3化合物薄膜太阳能电池3. 3. 1碲化镉太阳能电池碲化镉（CdTe料成本低、效率高，且光谱响应与太阳 光谱十分吻合。薄膜的生长工艺主要有：丝网印刷烧结法、 近空间升华法、真空蒸发法等。碲化镉半导体光伏材料理论 转换效率为30%。CdTe电池实验室效率16. 4

22、%,大规模 生产的商业化电池平均效率8%10%。71。四川大学制备 出的电池转换效率达11. 6%30 。以CdTe吸收层，CdS 作窗口层的结构为：减反射膜/玻璃/ S如：F / CdS / P-CdTe/背电极，这种电池转换效率达16%L3弓|。开发新能源是降低碳排放、优化能源结构、实现人类社 会可持续发展的重要途径。在新能源的发展过程中，新能源 材料起到了不可替代的重要作用，引导和支撑了新能源的发 展。核能材料是发展核能的重要基础。储能材料是发展节能 的清洁交通和新型储能器54第7- 8期 蒋利军等：新能源 材料的研究进展件的重要支撑。新能源材料是推动氢能燃料 电池快速发的重要保障。提高

23、能效，降低成本，节约资源，环 境友好，将成为新能源发展的永恒主题，新能源材料将在其 中发挥越来越重要的作用。如何针对新能源发展的重大需求, 解决相关新能源材料的材料科学基础研究和重要工程技术 问题，将成为材料工作者的重要研究课题。作业太阳电池的工作原理；答：太阳电池一将太阳光能直接转换为电能的半导体器件种类硅太阳电池1）Si太阳电池1）单晶硅片2）GaAs太阳电池2）多品硅片3）染料敏化电池3）非晶硅薄膜4）Cu2S电池4）多品硅薄膜大气质量一太阳光线通过大气层的路程对到达地球表面的太阳辐射的影响AM0地球大气层外的太阳辐射AM1穿过1个大气层的太阳辐射（太阳入射角为0）AM1.5太阳入射角为

24、45的太阳辐射太阳辐射穿过大气层的情况太阳电池的工作过程光生伏特效应吸收光子，产生电子空穴对。电子空穴对被内建电场分离，在PN结两端产生电势。将PN结用导线连接，形成电流。在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转 换。对理想的P-N结电池最小饱和电流密度与禁带宽度的关系对于硅，禁带宽度约为l.lev,所得到最大Voc约为700mV, 相应的最高FF为0.84。禁带宽度约为1.41.6ev，转化率会出现个峰值，砷化镓具 有接近最佳值的禁带宽度。Voc的损失主要在于体内复合表面的减反射程度，通过制绒 和镀减反射膜使反射率在10%以下。正面电极的印刷遮掉10%左右的入射光。电池片比较薄，部分光

25、线会直接穿透电池片。不过现采用 全背而印刷铝浆对这损失有很大削弱。半导体体内和表面的复合是正面电极金属栅线电阻，rcl、 rc2分别是正面、背而金属半导体接触电阻，rt是正面扩 散层的电阻，rb是基区体电阻，rmb是背面电极金属层的 电阻。金属体电阻：其中rsq为厚膜金属导体层的方块电阻，厚膜印刷银电 极通常为0.003Q /0.005Q /； l为栅线长度；w为栅线 宽度。对于铝背场形式的背面电极，rsq通常为0.0100.020 Q /。es是硅的介电常数，ND是掺杂浓度。大致上ND N 1019/cm3时，RC将主要表现为隧道效应，并随着ND的增 加迅速地下降。对于势垒高度在0.6V左右

26、的金属材料，当 硅的掺杂浓度在1020/cm3附近时，RC的数值大约为10-3 10-4Q cm2。为扩散层方块电阻；乙为电池主焊接电极方向尺寸；W为 电池细栅线方向尺寸；m为细栅线条数。太阳电池种类硅（硅）silicon目前太阳光电系 统中应用最为广 泛多化合物Compound应用于太空及聚 光型太阳光电系 统晶硅Crystalline非晶硅Amorphous单品SingleCrystallin多品PolyCrystallind为基区厚度，约等于硅基片厚度；地而用太阳电池基片材料电阻率通常使用范围为0.53 Q.cm边缘漏电（刻蚀未完全、印刷漏浆）体内杂质和微观缺陷PN结局部短路（扩散结过浅

27、、制绒角锥体颗粒过大）太阳电池材料的分类及其发展概况。答：市场模块半导体材料发电转换效率单晶硅Single1220%Crystallin多晶硅Poly1018%CrystallinSi、 SiC、 SiGe、 6 9%SiH、 SiOGaAs、 InP 1830%CdS 、 CdTe 、10 12%CuInse奈米及有机Nano & Organic应用于有机太阳TiO21%以下电池，属研发阶段单晶硅又称为单结晶、晶圆型。制程贵，发电量佳， 碍于 晶圆型式，多半截圆型或圆弧造型，铺设时面积上无法达到 最大利用及吸收。多晶硅又称为多结品。制程上较便宜，发电量略逊单晶硅，可截为 正方形，铺设时可达到

28、最大面积利用及吸收。其品状分布， 具有艺术效果，可为建筑物外观加分。另外，虽其结理易造 成碎裂，但品体可再利用做为项链等装饰品。非晶硅（可挠式）成本便宜，发电率较差，且容易造成裂质化。但由于可直接 镀在玻璃及塑料上面，与建筑物可做最佳结合。除可做太阳 光电系统发电用，室内型民生消费品也常见其应用，如：电 子计算器、摇头娃娃、玩具等。核能用材料及其发展概况。答：核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料 （核 燃料）进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、 钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原 子核吸收一个中子后发生裂

29、变并放出两三个中子。 若这些 中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂 变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。 实现链式反应是核能发电的前提。优点核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染 物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他 的用途。核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核 能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座 1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航 次的飞机就可以完成运送。核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核 能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本 较其他发电方法为稳定。缺点核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过 之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须 慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裹，故核能电厂的热污染较严重