第七章新型功能材料

第七章第3节

能源转换与储能材料12B班纳敏1241100967.3.1能源转换能源转换：是改变能源物理形态的能源生产。人类对能源的利用主要有三次大转换煤炭取代木材石油取代煤炭向多能源结构的过渡转换世界能源正面临着一个新的转折点。能量储存是解决能量供求在时间和空间匹配上的矛盾、提高能源利用率的有效手段，而储能材料是储能技术的基础。

目前的热能储存材料主要有3类：显热储存材料、潜热储存材料和化学反应储存材料。7.3.2化学反应储能材料

化学储能实际上就是利用储能材料相接触时发生化学反应，而通过热能与化学能的转换将能量储存起来。广泛应用于化学热泵、化学热管、化学热机、空调设备和灭火材料等方面。1.结晶水合物

结晶水合物蓄热是在低于其熔点的温度下，使水合盐全部或部分脱落去其结晶水，利用在脱水过程中吸收的水合热来实现热量的储存。Na2S.nH2O(s）+∆HNa2S（s）+nH2O2.无机氢氧化物3.多孔蓄热材料多孔蓄热材料是利用了沸石和硅胶等材料对水的高吸附热。4.复合蓄热材料这种复合材料是在各种多孔材料，如硅胶、氧化铝及其他聚合物的、金属的和含碳的多孔材料中填充选定类型的结晶水合物而制得。7.3.3相变储能材料1.固-液相变储能材料(1)无机储能材料（2）有机储能材料2.固-固相变材料（1）多元醇主要有季戊四醇（PE）、2,2-二羟甲基丙醇（PG）、新戊二醇（NPG）等。（2）高分子类如交联聚烯烃类、交联聚缩醛类和一些接枝共聚物（3）层状钙钛矿一种有机金属化合物7.3.4热电、压电和铁电材料

1.热电材料(1)热电效应①赛贝克(seebeck)效应

当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为赛贝克效应，其所形成的电动势，称为赛贝克电动势。②珀耳帖(Peltier)效应

在赛贝克效应发现后不久，珀耳帖发现赛贝克效应的逆效应，即当两种金属通过两个接点组成一回路并通以电流时，会使得一个接头发热而使另一个接头致冷，这就是珀耳帖效应。由此效应而产生的热称为珀耳帖热，其数值大小既取决于两种材料的性质，也与通过的电流成正比，即QAB=ΠABI，式中为材料A和B间的相对珀耳帖系数。通常规定，电流由A流向B时有热吸收的，珀耳帖系数为正；反之为负。③汤姆逊(Thomson)效应

汤姆逊效应是基于赛贝克效应和珀耳帖效应而发现的第三个热电效应。汤姆逊发现，只考虑两个接头处发生的效应是不完全的，还必需同时考虑沿单根金属线由于其两端温度差而产生的时势。(2)热电材料及其应用合金热电材料是最重要的热电材料之一，根据赛贝克效应的原理，被广泛地应用在测量温度方面，这便是我们熟知的热电偶。此外，热电效应还被广泛地应用于加热(热泵)、制冷和发电等方面。2.压电材料⑴压电效应与逆压电效应

压电材料是实现机械能与电能相互转变的工作物质。这是一类具有很大潜力的功能材料。当压电材料受到机械应力时，会引起电极化，其极化值与机械应力成正比，其符号则取决于力的方向，这种现象称为正压电效应；反过来，材料在电场作用下，产生一个在数量上与电场强度成正比的应变，这种现象称为逆压电效应。⑵压电材料的应用

常用的压电材料有石英(SiO2)、钛酸钡(BaTiO3)、铌酸锂(LiNbO3)等单晶和钙钛矿型的压电陶瓷，这种陶瓷是钛酸钡、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3，简写为[PZT]等的多晶材料，其成分可根据应用的要求进行配料。压电材料的应用很广，首先是利用它的换能特性，即将电能转变为机械能或将机械能转变为电能；其次是压电晶体的谐振特性。压电效应除了利用换能作用外，还有另一类重要的应用，即利用压电晶体的谐振特性。例如石英晶体存在一个固有的谐振频率，当给压电晶体输入一个电信号时，如果电信号的频率与压电晶体的谐振频率相等，压电晶体会产生强的机械振动，这种机械振动又使压电晶体输出强的电信号。由于石英晶体的谐振频率极为稳定，可用以设计制造报时准确的石英电子表。3.铁电材料一般的电介质只有在电场作用下才能电极化，但有一类电介质具有自发极化，而且它的自发极化方向能随电场的作用而转向，这一类电介质称为铁电体。

晶体自发极化的性质起源于晶体中原子的有序排列，出现正负电荷的重心沿某一方向发生相对位移，整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负，使晶体自发地出现极化现象。自发极化晶体的极化状态，将随温度的改变而变化，这种性质称为热电性。热电性是所有呈现自发极化的晶体的共性。具有热电性的晶体称为热电体。

铁电材料对电信号表现出高介电常数，对温度改变表现出大的热释电响应，在应力或声波作用下，具有强的压电效应和声光效应。在强电场作用下，具有显著的电光效应。另外铁电材料在强光辐射下，电子被激发引起自发极化的变化，从而出现许多新的现象，如光折变效应等。铁电材料具有的这些性质，已为它的应用开辟了广阔的前景。7.3.5锂离子电池负极：石墨或其他类似物质隔膜正极：锂和过渡金属化合物1.锂离子电池的性能优点：（1）容量大（2）荷电保持能力强（3）循环使用寿命长（4）安全性高（5）无环境污染（6）无记忆效应（7）质量轻（8）比能量高2.锂离子电池正极材料正极材料在电池运作中提供锂离子，材料性能对动力锂电池安全性、循环寿命等的影响极大。在电池原材料成本中，正极材料占比17%左右。目前锂离子电池常用的正极材料有钴酸锂（LiCoO3）、锰酸锂（LiMn2O4）和磷酸铁锂（LiFePO4）等。3.锂离子电池负极材料碳材料主要有天然石墨、人造石墨、中间相碳微球等—