新型能源材料课件

1新能源材料NewEnergyMaterials

熊小庆纺织与材料工程学院2主要分类太阳能电池材料锂离子电池材料裂变反响堆材料3能源是人类社会生存和开展的重要物质根底,是现代文明的三大支柱之一。目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。煤炭开采海上石油开采平台严重的生态破坏4生态环境严重破坏：1952年12月，伦敦烟雾；酸雨；河流干涸；56巨大的能源危机：已开采800亿吨石油，按现在的开采速度，地球上已探明的1770亿吨石油储量仅够开采50年;已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年；已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400年;已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，仅够使用100年左右。世界各国水能开发也已近饱和，风能、太阳能尚无法满足人类庞大的需求。7我国作为开展中大国，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。2021年，中国风力发电量到达了25.8亿瓦，超过了德国的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；2021年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力涡轮机，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，但风力发电量只占据中国电力消耗总量的1%。8为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最充分利用技术和环境最小负担技术。新能源与新能源材料是两大技术的重要组成局部。新能源的开展必须靠利用新的原理来开展新的能源系统，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新系统得以实现，并提高其利用效率，降低本钱。开展新能源材料是解决能源危机的根本途径。9新能源包括太阳能生物质能核能风能地热海洋能氢能太阳能氢能风能潮汐能地热核能10新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及开展新能源技术所需的关键材料，主要包括：硅半导体为代表的太阳能电池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质子交换膜电池为代表的燃料电池材料铀、氘、氚为代表的反响堆核能材料-------------11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。内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站太阳能热水器12太阳能电池材料13太阳能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3.8×1018kW，远大于人类对能源的需求量；分布广泛，不需要开采和运输；不存在枯竭问题，可以长期利用；平安卫生，对环境无污染等。人造卫星上的太阳能电池14西班牙塞维利亚太阳能发电站—欧洲最大的太阳能电站，可供18万户使用，每年减排60万吨CO2。槽式太阳能蝶式太阳能16通过光电转化将太阳辐射能转化为电能加以利用是太阳能利用中最活泼的研究领域。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17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光伏效应：太阳光照在半导体p-n结上，形成空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。光伏效应示意图太阳能电池18全球最大规模的光伏太阳能发电工程—鄂尔多斯市政府与美国firstsolar公司共建2000兆瓦太阳能光伏发电厂。19世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中心等永久建筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过4.68兆瓦的太阳能电池，每年能减排二氧化碳4000吨。主题馆屋面太阳能板面积达3万多平方米，是目前世界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量280万度，每年减排二氧化碳2800吨，节约标准煤1000多吨。

世博中国馆世博主题馆202021年5月，世界首架无污染太阳能飞机进行跨国飞行(从瑞士飞抵布鲁塞尔需13小时)，飞行高度可达8700米，平均飞行速度为70-120公里/小时。用超轻碳纤维材料制成，总重1.6吨，由4台小型电力发动机驱动，机翼配备1.2万个太阳能电池板，翼展长度大约64米。21晶体硅太阳能电池晶体硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积pn结，在p型硅片上制作很薄的掺杂n型层，在n型层上制作金属栅线作为正面接触电极，在反面制作金属膜作为反面接触电极。晶体硅太阳电池具有性能稳定、资源丰富、无毒性等优点，是目前市场上的主导产品。单晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池22非晶硅太阳电池非晶硅太阳电池是以非晶硅为基体的薄膜太阳电池，电池效率已到达13％；世界总组件生产能力到达每年50MW，应用规模从手表、计算机等消费品用电源开展到兆瓦级的独立电站。非晶硅太阳能电池23化合物太阳能电池化合物太阳电池所用材料包括II-VI族化合物和III-V族化合物。II-VI族化合物包括CdTe和CdS等，制成的薄膜太阳电池转换效率高、本钱低、易于大规模生产。III-V族化合物包括GaAs和InP等，可制成薄膜太阳电池，转换效率高、抗辐照性能好，是较理想的空间太阳电池。太空站上的GaAs太阳电池高原用的GdTe太阳电池24纳米太阳电池纳米太阳电池(简称NPC电池)是一种由镀有透明导电膜的导电玻璃、多孔纳米TiO2、染料光敏化剂、固体电解质膜以及铂电极组成的一种光电化学式电池。纳米太阳电池的结构25中国尚德电力和澳大利亚斯威本科技大学已研制出最高效的宽波段纳米薄膜太阳电池，光电转化效率为8.1%。为捕获更多太阳光，将金/银纳米粒子嵌入薄膜中，增加电池可吸收太阳光的波长范围，提高光子转化电子效率；进一步使用有核的或外表凹凸不平的纳米粒子，大幅提高薄膜的比外表积。ChenX,JiaB,SahaJK,etal.Broadbandenhancementinthin-filmamorphoussiliconsolarcellsenabledbynucleatedsilvernanoparticles[J].Nanoletters,2021,12(5):2187-2192.26锂离子电池材料27一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污染地下水和土壤。二次电池或蓄电池：放电时通过化学反响产生电能，充电时那么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。镍氢充电电池Li离子充电电池28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。目前应用较广的是镍氢电池(表示为Ni/MH电池)和锂离子电池(表示为LIB电池)，不但性能优良，而且污染较小，被称为绿色电池。铅酸蓄电池NiCd充电电池29Ni/MH镍氢二次电池Ni/MH电池的正极材料采用Ni(OH)2，负极材料为储氢合金，电解质为KOH水溶液。与Ni/Cd电池相比，Ni/MH电池具有以下优点：能量密度是Ni/Cd电池的1.5-2倍；充放电速率高；耐过充和过放性能好；使用寿命长；低温性能好；无Cd元素对环境的污染。

Ni/MH二次电池30Ni/MH电池开发重点是大功率、高容量方向。国际上主要汽车公司如GM、Ford和Toyota等相继开发出Ni/MH电动汽车和混合电动汽车，GM公司生产的Ni/MH电池动力车，单次充电后可行驶225km，时速为150公里。GM生产的EVI汽车，用26个12V的电池，3小时充电后时速可到达150公里31LIB锂离子二次电池Li是最轻的金属元素，它的标准电极电位是-3.045V，是金属中负电位最大的元素，因此Li负极电池的开发受到极大重视，与Ni/MH电池性能的比较如下。普通Ni/MH，LIB及Ni/Cd电池性能比较技术参数Ni/CdNi/MHLIB工作电压/V1.21.23.7质量比能量/(Wh/kg)30-5050-70100-150体积比能量/(Wh/L)150200270冲放电寿命/次500500100032LIB电池具有工作电压高、比能量高、容量大、循环特性好、重量轻、体积小等优点，而且LIB无记忆效应，不需将电放尽后再充电；LIB自放电小，每月在10％以下，Ni/MH电池自放电一般为30％-40％。仅2000年，日本就销售了4亿多只Li电池。移动Li电池数码相机Li电池笔记本Li电池33裂变反响堆材料1964年10月16日成功地爆炸了第一颗原子弹。1967年6月17日又成功地爆炸了第一颗氢弹。

通用核医学核医学是医学的一个分支，它使用小剂量的放射性物质诊断或治疗各种疾病核武器广岛市80％的建筑物化为灰烬，6.8万人当场丧生，5年后因原子弹死亡人数到达24.7万人；长崎市60％的建筑物被摧毁，当场伤亡8.6万人，5年后共死亡14万人。该地区核爆炸的幸存者也不同程度受到放射性污染，患了各种怪异的后遗症，在随后几年中，又有大批人痛苦地死去。

惨痛的历史

核能：在原子核发生变化时放出的能量。获得核能的两条途径是：(1)重核的裂变：原子弹(2)轻核的聚变：氢弹1、核能2、核能的主要优点1、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。2、核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，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。3、核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。

3、核能的原料铀

:1896年法国物理学家贝可勒尔发现铀具有天然放射性。二、核能与核能利用

核裂变(nuclearfission)是大核分裂为小核的过程.普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。

铀-235的裂变与核武器发生链反响爆炸

＋＋＋2

＋＋＋3足以维持链反响正常进行的裂变材料质量叫临界质量(criticalmass)。铀-235的临界质量约为1kg，质量超过1kg那么发生爆炸。任何有核反响堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的根本设计又如此简单，从而为防止核武器扩散带来了困难。核反响堆通过受控核裂变反响获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数,以形成所谓的自持链反响(self-sustainingchainreaction)。能源利用与开发美国109座,供电量占全国21%；法国56座,80%；日本，德国，俄罗斯，加拿大均有大量的核电站。美国日本苏联莫斯科附近(1954第一座)法国格拉弗林檬电站(世界第一)秦山核电站