第一章 能源概论

新能源材料与技术

陈洪燕讲师

物理化学研究所

E-mail:chenhy33@

电话：84114399参考教材雷永泉，万群，石永康，《新能源材料》，天津大学出版社，2000.童忠良，张淑谦，杨京京，《新能源材料与应用》，国防工业出版社，2008.翟秀静，刘奎仁，韩庆，《新能源技术》，化学工业出版社，2005.2内容第一章能源概述第二章太阳能电池

2.1太阳能电池概述2.2硅太阳能电池

2.3化合物薄膜天阳能电池2.4有机/聚合物薄膜太阳能电池2.5染料敏化太阳能电池

2.6量子点敏化太阳能电池第三章光催化材料第四章氢能利用及储氢电池

4.1氢能利用4.2镍氢电池

4.3燃料电池第五章锂离子电池第六章超级电容器第七章超导陶瓷材料第八章生物质能以水能利用3第一章能源概述1、能量与能源（1）能量能量是量度物体做功能力或物质运动的物理量。简单地说就是“作功的能力”。反过来说，产生某种效果（变化），必然伴随能量的消耗和转换。

能量形式有：电能、热能、机械能、化學能、原子能等。各种能量形式之间可以互相转换。能源是指自然界中可以为人类提供能量的物质资源。

（2）能源

能源是人类生存和推动社会发展的重要物质基础，能源技术的每一次进步都带动人类社会的发展。

4一级能源第一类能源（来自地球以外）太阳辐射能煤，石油，油页岩，天然气，草木燃料，沼气和其它由于光和作用而固定下来的太阳能。风，流水，海流，波浪海洋热能，直接太阳能宇宙射线，流星和其它星际物质带进地球大气的能量第二类能源（来自地球内部）地球热能地震，火山活动地下热水和地热蒸气（包括温泉和沸泉）热岩层原子能铀，钍，硼，氘第三类能源（来自地球和其它天体的相互作用）潮汐能二级能源一次能源经过加工转换成另外一种形态的能源：电能，氢能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火药等2、能源的分类5可再生能源和不可再生能源

1）可再生能源：在自然界中可以不断再生并规律地得到补充的能源。

如：太阳能、风能、水能、生物质能等。常规能源和新能源1）常规能源：经过人类长期研究、开发和利用，技术上已相对成熟，并且大规模使用的能源。如：煤、石油、天然气、电力等。2）新能源：相对于常规能源来说，是指人类新近才开发利用，目前还没有普及和大规模使用的能源。主要是指：太阳能、风能、地热能、生物质能、氢能、海洋能和水能等。2）不可再生能源：经亿万年形成的，短期内无法恢复的能源。

如：煤炭、石油、天然气。2.能源的分类6能源需求量急剧增大

EIAIntlEnergyOutlook2004/oiaf/ieo/index.html2100:40-50TW2050:25-30TW0.005.0010.0015.0020.0025.001970199020102030TWWorldEnergyDemandtotalindustrialdevelopingUSee/fsuenergygap~14TWby2050~33TWby2100HoffertetalNature395,883,1998Science,298,981,20021TW=1012W1GW=109W1MW=106W3.能源现状7化石（传统）能源（石油、天然气、煤等）面临枯竭

(~50年,~60年,~220年)我国各种能源探明储量（以储采比表示）与世界比较摘自“光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑战”论文集2004年4月8日，北京P8无穷大约45年约15约61年约30约230年约81约71年约50050100150200250300太阳能石油天然气煤铀世界中国83.能源现状人类未来50年的10大问题

能源水食物环境贫穷恐怖主义和战争疾病教育民主人口2004 65亿 2050 ~100亿 SourceRichardSmalley,Energy&NanotechnologyConferenceRiceUniversity,HoustonMay3,2003.9飓风“艾克”2008年9月13日美国得克萨斯州沿海地区登陆，经济损失初步估计在80亿美元以上2005年8月美国新奥尔良飓风“卡特里娜”死：>1000人,经济损失：>3000亿美元

矿物燃烧造成环境污染。（SO2、CO、CO2、NO）

（植被、土壤；气候；健康）温室效应酸雨…103.能源现状01020304050%WorldFuelMix2001oilgascoalnuclrenew*85%fossil当前世界能源结构图新能源（太阳能、风能、地热能、生物质能）的开发不断取得进展113.能源现状水能风能太阳能石油天然气核能煤地热发电电网输送用电器热能光能机械能输油、气网络内燃机等制氢输氢网络氢内燃机燃料电池二次电池离网用户贮氢技术不可再生成熟技术可再生技术待突破可再生未来的能源网络结构12开发利用新能源的意义

化石能源资源储量越来越少，在不远的将来便发生枯竭，人类必须寻找新的能源出路，新能源符合社会可持续发展的基本要求。

常规能源大规模的开发利用，带来的环境污染日益突出，人类面对生存环境问题的挑战，开发利用新能源是减少温室气体排放的一个重要途径。因地制宜，开发利用新能源，在许多地区已经取得了可观的经济效益。

开发利用新能源，对提高我国能源供给率，维护能源安全具有重大意义。

134.中国能源政策有序发展煤炭。积极发展电力。加快发展油气。大力发展可再生能源，中国已经颁布《可再生能源法》，制定了《可再生能源中长期发展规划》，提出到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10%，到2020年达到15%的发展目标。

加强能源立法。《清洁生产促进法》、《可再生能源法》已经颁布实施，配套政策措施陆续出台；修订后的《节约能源法》已经公布；《能源法》、《循环经济法》、《石油天然气管道保护法》及《建筑节能条例》正在抓紧制订；《矿产资源法》、《煤炭法》和《电力法》正在抓紧修订。14新兴能源产业发展规划规划期为2011-2020年，规划期内累计将直接增加投资5万亿元.新兴能源产业发展规划中最重要的内容是新能源和可再生能源的开发利用的规划,风能、太阳能、核能等新能源将逐步占领能源领域。我国将重点发展三类非化石能源,一是核能,二是水能,三是风能、太阳能和生物质能。155.新能源与新能源材料新能源：太阳能，生物质能，核能，风能，地热能，海洋能，氢能等新能源材料：实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。

如镍氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、太阳电池材料、反应堆核能材料、储氢材料、催化材料等。16新能源的出现和发展，一方面是能源技术本身发展的结果，另一方面也是由于这些能源有可能解决资源与环境问题而受到支持。新能源的发展一方面靠利用新的原理(如聚变核反应、光伏效应等)来发展新的能源系统；同时还必须靠新材料的开发与应用，提高效率、降低成本。新材料把原来习用已久的能源变成新能源。

如利用半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能。一些新材料可提高储能和能量转化效果。

如储氢合金可以改善氢的存储条件。新材料决定着新能源的性能与安全性。新型核反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐照材料。材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本。例如，太阳能电池所用的材料决定着光电转换效率，又决定着能源的成本。新能源材料的作用和目的薄膜式非晶硅太阳能电池，硅材料消耗少，在弱光条件也能发电。1718新能源材料研究中的重点研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率

例如，研究不同的电解质与催化剂以提高燃料电池的转换效率；研究不同的半导体材料及各种结构（包括量子阱、异质节）以提高太阳能电池的效率、寿命与耐辐照性。资源的合理利用新能源的大量应用必然涉及到所需原料的资源问题。

例如：太阳能电池若能部分取代常规发电，所需的半导体材料要在百万吨以上。除利用丰度高的硅以外，还需实现薄膜化以减少材料的利用量；燃料中的Pt催化剂需替代等。安全与环境保护这是新能源能否大规模应用的关键。

例如：锂电池应用中，使用金属锂负极在应用中会出现因短路造成的烧伤事件；新能源材料在生产过程中会产生三废对环境造成污染；核能废弃物等会对环境造成污染。材料规模生产的制作与加工工艺在材料工程化阶段尤为重要。

需开发针对新能源的专用工艺与设备以满足材料产业化的需求。例如：金属氧化物镍电池中开发多孔态镍材的制作技术；开发锂电池的电极膜片制作技术

延长材料的使用寿命例如：降低燃料电池中有害杂质含量以提高染料电池催化剂的寿命。6.新能源技术（1）太阳能利用技术

1）太阳能—热能转换技术；2）太阳能—光电转换技术；3）太阳能—化学能转化技术。

目前，人们主要是对太阳能光热转换和光电转换两大领域进行研究；包括太阳热水器、太阳灶、太阳房、太阳能干燥、太阳能温室、太阳能制冷与空调、太阳能热发电及光伏发电系统等。主要内容：19地球每年接受太阳的总能量为1.8×1018kWh，相当于全球能耗的1.2万倍，无污染，是永久性能源。太阳辐射到地球的能量密度太低，只有1kW/cm2，还受气候影响。20

真空管集热太阳能热水器；“温室效应”太阳能汽车（2）氢能利用技术

21氢是理想能源，热值高、无污染。

1）储量大，如果把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍！2）发热值高，142351kJ／kg，是除了核燃料外所有燃料发热值中最高的，是汽油的3倍。3）燃烧性能好，燃点高，燃烧速度快，燃烧后的产物为水，通过电解水等手段又可以获得氢，这样就可以形成可持续的能量利用循环。美国加州州长施瓦辛格为新“悍马”加氢气宝马H2R液氢动力实验赛车22

1）利用氢的热核反应放出核能，这是核能利用的重要途径。

2）氢气直接燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，如氢气发动机。

3）储氢，如氢能燃料电池，燃料电池是一种直接通过电化学反应将燃料的化学能转化成电能的发电装置。

氢能利用的三种主要方式：1）制氢技术；

只能通过电解水，太阳能分解水，生物制氢，以及化工、冶金等流程制氢，这就需要消耗能源2）氢提纯技术；3）氢储存与输运技术。

在存储、运输及应用过程中易爆，使材料产生氢脆、氢腐蚀，以及氢渗漏等。

氢能利用需要解决的三个关键技术：原理：1）核裂变；2）核聚变。

①核能发电技术（核电站）；

通过反应堆将核能转换为热能，加热水生产蒸汽，推动汽轮机旋转，带动发电机发电，向外输出电力。②核能供热技术（核供热）。由反应堆将核能转换为热能，生产蒸汽或热水，为生产、生活提供热源。23（3）核能利用技术

（4）化学电能技术

主要指电池制备技术，将化学能转变为电能。目前，主要有以下几种：①金属氢化物镍电池；②锂离子电池；③燃料电池；④铝电池；⑤储能电池。

研究开发新材料、新工艺、新技术，制造大容量、高性能、寿命长的新型可移动电源，作为人们日益增长的对多样化能源需求的补充。化学电池的开发利用，具有广阔的市场前景。24（5）生物质能技术

吸收太阳能的生物通过光合作用形成的物质叫生物质，它所具有的能量叫生物质能。主要是生物质能转化技术，包括：1）生物质气化技术；2）生物质固化技术；3）生物质热解技术；4）生物质液化技术等。2526（6）风能利用技术风能利用主要内容：

风力发电、风帆助航、风车提水、风力致热采暖等。其中，风力发电是最主要的利用形式。太阳能在地面上约2％转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW，很有发展前景。关键风车材料：－个2.5MW的风车，转子叶片直径要80ｍ，包括传动箱的总重达30t；风车高近百米，用材几百吨。风车叶片耍有足够的强度和抗疲劳性能，目前主要