化学与社会生活能源

关于化学与社会生活能源人类文明发端于火的利用煤炭的使用不仅延长了燃烧时间，而且为金属的冶炼、蒸汽机的使用奠定基础。石油化工使人类进入了现代社会未来的社会是核能社会第2页,共131页，2024年2月25日，星期天

能源是人类文明进步的先决条件，它的开发和利用是衡量一种社会形态、一个时代、一个国家经济发展、科技水平与民众生活质量的重要标志。第3页,共131页，2024年2月25日，星期天

随着现代科学技术的高速发展和世界人口的快速增长，对能源的需求量越来越大，对能源质量的需求也越来越高，作为当今能源的主体的石油、天然气、煤，都是不能再生的化石燃料，用去一点就会少一点。据科学家们估计，现在的化石燃料只能再维持几十年时间；另一方面，世界新的技术革命带动着许多新兴工业蓬勃兴起，新的生产体系必然要求改变能源系统，要求采用可再生的、分散的、多样化的能源。因此，充分利用常规能源、开发新能源是解决世界能源危机的重要途径，是当今世界各国共同追求之一，新能源必将成为世界新的产业革命的动力，成为未来世界能源系统的基础，成为未来世界能源舞台上的主角。第4页,共131页，2024年2月25日，星期天

毫无疑问，化学在充分利用现有资源和开发新能源方面发挥着不可替代的作用。首先，通过化学手段能够更好地利用化石燃料。其次，化学在开发新能源方面也发挥着重要作用，通过化学等方法开发的核能、氢能、太阳能等是极具前途的清洁能源。第5页,共131页，2024年2月25日，星期天能源概述各种能源简介

主要内容第6页,共131页，2024年2月25日，星期天

能源是指能为人类提供所需能量的自然资源，是指一切能量比较集中的含能体（如煤炭、天然气等）和能量过程（如风、潮汐）

一、能源概述

1、何谓能源？第7页,共131页，2024年2月25日，星期天目前人类所能够使用的能源形式第8页,共131页，2024年2月25日，星期天

1、按来源分

来自地球以外辐射能、化石资源、生物质能、

(太阳能)

风能、海洋能

来自地球内部地热能和核能

地球与月球、太阳等天体间有规律运动形成的能

潮汐能

2、按能源形成条件分：一次能源自然界中未经转换可直接使用的能源如：原煤、石油、天然气、流水、日光、草木二次能源

经过加工或转换后获得的能源如：汽油、煤油、柴油、电力、氢能、沼气2、能源分类第9页,共131页，2024年2月25日，星期天

3、按能源可否反复利用分：

可再生能源

水力、风、草木燃料、海洋能

非再生能源化石燃料（煤、石油、天然气）

4、按能源利用状况分：

常规能源是指已被广泛利用的能源（柴草、煤炭、石油、水力等）

新能源是指利用先进技术所获得的能源或指采用先进的技术开发利用传统的能源（太阳能、核能、氢能、生物质能、海洋能、地热能、煤气、水煤浆）

能源的分类5、世界能源委员会将能源分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能等类型。其中，前三种又称化石燃料或化石能源。第10页,共131页，2024年2月25日，星期天

加热大气加热海洋光电转换光热转换风能潮汐能海浪能海流能海水温差能水能古生物固定的太阳能人工利用太阳能光合作用煤炭石油天然气生物质能太阳辐射太阳能的利用方式图

在目前人类所使用的能源中，绝大部分都来自太阳能，太阳能的利用方式多种多样。

能源的分类第11页,共131页，2024年2月25日，星期天

1、

化学能向电能转化

2、

太阳能转化为热能、电能所需的蓄热材料、光电材料

3、

核能转化为电能：核燃料的提纯、富集——化学处理过程核废料的萃取分离反应堆结构材料、元件、包壳材料的防护水的纯化

4、化石燃料的充分利用

5、生物质能利用效率的提高3、能源转换中的化学第12页,共131页，2024年2月25日，星期天

裂变能太阳能热利用技术大规模电力系统高效燃烧技术核能的利用20世纪能源科学技术成就聚变能放射能大容量风力发电技术能源软科学第13页,共131页，2024年2月25日，星期天21世纪能源科学技术发展方向燃料电池核聚变能氢能太阳能发电利用生物质能的高效和清洁利用技术分散能源系统技术能源软科学第14页,共131页，2024年2月25日，星期天

二、化石燃料

当代工业的粮食—煤炭当代工业的血液—石油最清洁的化石燃料—天然气第15页,共131页，2024年2月25日，星期天

煤炭大约在5000年前，人类曾把煤炭作为装饰品。煤炭是世界上储存量最丰富的化石燃料之一。世界上煤的总储存量约为13万亿吨。我国探明的煤炭可采储存量为7300多亿吨，居世界第一，占世界总储量的45.7%。我国也是世界第一产煤和用煤大国。你知道吗？第16页,共131页，2024年2月25日，星期天

煤是由古生的植物随着地壳变动被埋入地下，经过数亿年的地热高温、高压和细菌作用逐渐演化形成的可燃性固体矿物。从本质上说煤炭中所含的化学能是植物通过光合作用从太阳光转化而来的。煤的形成

采煤第17页,共131页，2024年2月25日，星期天世界煤炭的储备和分布

第18页,共131页，2024年2月25日，星期天中国煤炭的储备和分布

第19页,共131页，2024年2月25日，星期天

根据煤化程度的不同将煤大致分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤，其含碳量逐渐升高，燃烧热值也之间递增。我国原煤产量以烟煤为主。

煤的种类泥炭褐煤烟煤无烟煤四种煤的形成过程第20页,共131页，2024年2月25日，星期天

煤是一种具有高碳氢比的复杂混合物，其主要成分是碳和氢，还有少量的氧、氮、硫等。分子式：C125H97O9NS成分：C84.3%H5.1%O7.5%N1.5%S1.6%

水分、挥发物、无机物灰分

煤中的氢并非都可以燃烧，和C、S、P结合的氢可以燃烧

煤的组成与结构第21页,共131页，2024年2月25日，星期天煤的现代结构模型基本结构单元：由数十个五元环和六元环组成的稠环化合物煤粒的核心部分：“沥青类”或“树脂类”高分子化合物第22页,共131页，2024年2月25日，星期天

煤的化学加工与转化第23页,共131页，2024年2月25日，星期天1、煤炭直接作为燃料存在的问题：环境污染、燃烧率低2、加工的目的：除去所含S、N和无机物——解决环境污染问题降低分子量提高氢含量——提高使用价值3、加工与转化的方式煤的干馏煤的气化煤的液化水煤浆第24页,共131页，2024年2月25日，星期天煤的气化门捷列夫的畅想1、水煤气将空气通过装有灼热的焦炭的塔柱，会发生放热反应：C（s）+O2（g）==CO2（g）△H=-393.5kJ·mol-1放出的大量热量可使焦炭的温度上升到约1500℃。切断空气，将水蒸气通过灼热的焦炭，发生下列反应：C（s）+H2O（g）==CO（g）+H2△H=-131.3kJ·mol-12、合成气将纯氧气和水蒸气在加压下通过灼烧的煤，可使煤中的苯酚等挥发出来，并生成一种气态混合物燃料，其体积分数为：40%H2、15%CO、15%CH4、30%CO2。第25页,共131页，2024年2月25日，星期天煤的液化

以煤炭为原料，通过化学加工过程，生产油品和石油化工产品。主要有两种方式：直接液化：将煤炭先磨成煤粉，然后与溶剂（煤焦油）、催化剂混合为浆状物，在温度为673-773K，压力为（100～300）×（100～

1000）Pa下加氢直接生产重质液体燃料。一般二、三吨煤粉可得一吨液化油。间接液化：将煤粉先气化成CO和H2，然后用高压催化合成液体燃料。第26页,共131页，2024年2月25日，星期天

是把煤在隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，随着温度升高，煤中的有机物质逐渐开始分解，得到气态的炉煤气、液态的煤焦油和固态的焦炭。煤焦油中有很多苯、甲苯、二甲苯、酚类、萘等，是宝贵的化工原料。煤的干馏第27页,共131页，2024年2月25日，星期天煤干馏的主要产物和用途第28页,共131页，2024年2月25日，星期天

所谓一碳化学是指以分子中只含一个碳原子的化合物（如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等）为原料，用化工的方法制造产品的化学体系的总称。广义的一碳化学，不仅包括上述四种化合物，还包括如甲醛、甲酸、氢氰酸、甲胺、二氟二氯甲烷等的制造及其衍生物的合成。但当今世界上，通常一碳化学的范畴，主要是指一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇四种物质所涉及的有关内容。另外，由于甲烷属于天然气化学；二氧化碳虽然是一种取之不尽，用之不竭的气体，但人们对它的研究还不够，化工上的应用并不多；同时甲烷、二氧化碳及甲醇都可由一氧化碳制造，故狭义的一碳化学就是指一氧化碳化学，或称合成气（CO＋H2）化学。

拓展视野—一碳化学何谓一碳化学？第29页,共131页，2024年2月25日，星期天

近几年来，利用合成气能够生产的化工产品不下30～40种，我国正在开发的也有20～30种。关于利用合成气合成燃料的动向，主要是合成甲醇，再由甲醇生产汽油。同时甲醇也是一种廉价的化工原料。对一碳化学的研究有催化法和放射线法。放射线的特点是可以在常温常压下进行，但需依赖于电子加速器的进步。目前研究一碳化学多用催化法，并且一些产品已投产。第30页,共131页，2024年2月25日，星期天

石油

我国对石油的开发利用有着悠久的历史。早在2000多年前，我们的祖先就在现陕西的延安一带发现了石油，并将其称为石漆、石液、石脂水、石脑油、猛火油等。到宋代，著名的科学家宋应星在《天工开物》一书中提出了“石油”一词，并一直沿用至今。在古代，石油主要用于点灯照明，也用于制造药物，有时还用它作“武器”。相传在北周宣政元年（公元前578年），北周军队在河西走廊西部的禄福县，曾用燃烧的“石脂水”作武器打败了入侵的突厥军队。自从1883年发明了汽油发动机和1893年发明了柴油机以来，石油的身价倍增，并获得了“工业血液”的美称。你知道吗？第31页,共131页，2024年2月25日，星期天石油的形成

石油是远古时代沉积在海底湖泊中的动植物的遗体，在海洋条件作用下经过千百万年的漫长转化过程而生成。水中生物的遗骸下沉而埋没于地下第32页,共131页，2024年2月25日，星期天因地热或地压等作用变成石油石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中第33页,共131页，2024年2月25日，星期天

从地下采出来的石油，没有经过加工提炼成各种产品以前通称为原油。原油是一种粘稠状的液体

管道原油

原油最直观的物理性质就是丰富多彩的颜色，由浅到深有白色、淡黄色、褐色、黑绿色以至黑色。第34页,共131页，2024年2月25日，星期天

石油的成分与结构

石油是多种碳氢化合物的混合物，主要是烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃，以及少量的有机硫化物、有机氮化物、水分和矿物质等。根据石油中所含碳氢化合物的种类不同，可将石油分为四大类：石蜡基石油环烷基石油中间基石油芳香基石油第35页,共131页，2024年2月25日，星期天世界石油资源分布极不平衡：中东地区拥有全球63.3%的石油储量欧洲和中亚占9.2%非洲地区石油储量占全球的8.9%拉丁美洲和中美洲占8.9%北美地区占5.5%东南亚和大洋洲占4.2%

石油资源的分布第36页,共131页，2024年2月25日，星期天我国石油分布第37页,共131页，2024年2月25日，星期天海上油井克拉玛依油田大庆油田第38页,共131页，2024年2月25日，星期天

石油的加工

原油是由多种碳氢化合物组成的，直接利用的途径很少。将石油加工成不同的产品，则能充分发挥其效能。把预处理后的原油送到炼油厂进行分馏加工，能够生产出汽油、煤油、柴油、润滑油及沥青等具有不同用途的产品，这是石油“大家庭”的第一次“分家”。

第39页,共131页，2024年2月25日，星期天

另外，人们还想方设法把一些不尽人意的分子转变成燃烧情况良好的分子，例如，用催化裂解的方法把大分子裂解成小分子，用催化重整的方法改变分子结构等。这样做的目的在于得到效果更佳的燃料。石油不仅是重要的燃料资源，还是一种宝贵的化工原料，石油化工就是以它为母体发展起来的。石油化学工业以石脑油等石油产品为原料，首先经裂解转化为乙烯、丙烯、丁烯等，然后进一步精加工成为聚烯烃及一些重要的精细化工原料。我国石油化学工业推向了一个新水平，并跨入了世界先进行列。第40页,共131页，2024年2月25日，星期天石油分馏以及产品示意图第41页,共131页，2024年2月25日，星期天

车用汽油

汽油在发动机中正常燃烧时，火焰的传播速度约为30-70m·s-1。但当混合气已燃烧2/3-3/4时，未燃烧的混合气中产生了高度密集的过氧化物，它的分解使混合气中出现了许多燃烧中心，燃烧速率猛增，产生强大的压力脉冲，火焰的传播速率可达800-1000m·s-1。这种情况下汽缸内产生清脆的金属敲声，这种燃烧就是爆燃。汽油的抗爆性与组成汽油的烃类有关。正构烷烃随碳原子数增多抗爆性降低，异构烷烃随支链的增多抗爆性升高，环烷烃抗爆性居中，而芳香烃及其衍生物抗爆性较高。为了提高汽油的抗爆性，常向汽油中添加抗爆剂。四乙基破坏生成的过氧化物，但会生成硬质的PbO颗粒，它会沉积在燃烧室，因而要同时加入一定量的导出剂溴乙烷（或二溴乙烷），使PbO

转化为PbBr2。目前，很多国家已禁止使用含铅汽油，现在的抗爆剂多采用甲基叔丁基醚。第42页,共131页，2024年2月25日，星期天

不同的标号指的是此标号汽油辛烷值的大小，汽油的标号越高，辛脘值含量越高，越不容易发生爆燃。应根据发动机的压缩比选用汽油，压缩比高的车辆应该选用高标号汽油，从而保证在发动机不发生爆燃的情况下动力输出最佳、成本最低。压缩比是指发动机气缸的总容积与燃烧室容积之比。压缩比是发动机的一个非常重要的结构参数，压缩比高，动力性好、热效率高，车辆加速性、最高车速等会相应提高。通常，压缩比在7.5～8.0应选用90号车用汽油；压缩比在8.0～8.5应选用90号～93号车用汽油；压缩比在8.5～9.5应选用93号～95号车用汽油；压缩比在9.5～10应选用95号～97号车用汽油。车主应严格按发动机不同的压缩比，选用相应标号的车用汽油，才能使发动机发挥出最佳的效能。第43页,共131页，2024年2月25日，星期天

丙烷、丙烯和丁烷、丁烯（液化气）是瓶装煤气的主要成分，能用适当的压力和冷冻使之液化。因为丙烷比丁烷更易挥发，所以在北方使用的瓶装煤气含有较多的丙烷，而在南方使用的瓶装煤气含有较多的丁烷。将重油、柴油与氢气混合在高压催化下反应，可制得合成石油，进一步加工可得到汽油和高级汽油。你知道吗？开采石油通常采用钻井的方法，一部分用于注水，一部分用于采取石油。第44页,共131页，2024年2月25日，星期天

石油植物亦称植物能源，在一些植物体内含有跟石油差不多的液体燃料。如巴西热带森林的“香波树”，只要在树上挖个洞，油就会流出来。美国的“黄鼠草”及西海岸的巨型藻，澳大利亚的丛粒藻等也都能提炼出石油。

拓展视野—石油植物第45页,共131页，2024年2月25日，星期天

既然花生油、菜籽油、玉米油、桐油、豆油可以在地里“种”出来，为什么石油就不能“种”出来呢？美国化学家卡达文是位诺贝尔奖获得者，他就相信石油可以“种”出来。1987年他到处寻找能生产石油的植物，功夫不负有心人，他终于发现了许多能“挤”出石油来的植物。卡达文在寻找到能“生产”石油的植物后，就开始选种和育种，并在美国加利福尼亚种了大约6亩地的“石油”树，一年中竟收获了50t石油，卡达文“种”石油的成功，激起了一股研究和寻找石油树的热潮。现在美国成立了一个石油植物研究所，专门研究能流出石油的植物。现在，可以生产石油的植物越来越多，在菲律宾发现一种能产石油的胡桃，一年可收两季。在巴西有一种乔木高达30多米，直径最大有1m，在这种乔木上打一个洞，一小时就能流出7Kg石油来。美国加利福尼亚大学还用遗传技术培养了一种石油植物，这种植物乳汁中的成分和天然矿物石油的成分很相似。从这种乳汁中可以提炼出汽油、煤油和许多副产品。石油也可以“种出来”，将为缓和能源短缺的紧张局面起到重要作用。小故事第46页,共131页，2024年2月25日，星期天

天然气

天然气是一种优质的气体燃料和重要的化工原料。我国是世界上最早开采和利用天然气的国家，早在公元前221年，我国就在四川省自流井气田钻成深约100m的天然气井。天然气是世界上第三大贸易燃料，占全球能源消费总量的23%，是消费需求增长速度最快的能源。第47页,共131页，2024年2月25日，星期天

天然气虽在组成上也是以碳氢化合物为主要成份，但其生成条件比石油更多样化。天然气从浅到深都能生成；天然气可由浮游的动、植物生成，也可由高等植物生成；天然气有有机成因，也有无机成因。第48页,共131页，2024年2月25日，星期天

可燃冰是一种天然气水合物，是水和天然气在中高压和低温条件下混合时产生的无色透明的冰状晶体，点燃即可燃烧。

拓展视野—可燃冰第49页,共131页，2024年2月25日，星期天

天然气水合物是一种笼型水合物，属于主客体化合物。水分子间以氢键相互吸引构成笼子作为主体，甲烷作为客体居于笼中，以范德华力与水分子相互作用而形成笼型水合物。五角十二面体五角六角是六面体笼形水合物的结构图

可燃冰的结构第50页,共131页，2024年2月25日，星期天

能量密度高。每1立方米的固体水合物可释放164立方米左右的甲烷气体。

杂质少，无污染。燃烧后几乎不产生有害气体和杂质，是一种清洁能源。

形成条件复杂。第一温度不能太高，第二压力要足够大，第三要有甲烷气源。

分布广，资源丰富。海底可燃冰分布范围约4000万km2，其储量够人类使用1000年。

可燃冰的特点第51页,共131页，2024年2月25日，星期天

可燃冰其一是分布在各大陆向海延伸的大陆边缘水深超过300～500m的有利地带，且其大多数处于海底以下100～200m的深层沉积地层中。二是分布在高纬度永久冻土层带。

可燃冰的开采

目前考虑的开采方案有几种：解热法和降压法；还有科学家提出将核废料埋入地底，利用核辐射效应使其分解；另外还有一个新的设想，即“置换法”。

由于甲烷对环境破坏作用，所以可燃冰又是一种危险的燃料。除此之外，可燃冰开采还可能会造成大陆架边缘动荡，引发海底塌方并导致灾难性的海啸，第52页,共131页，2024年2月25日，星期天

三、生物质能的开发利用

生物质从广义上说是指绿色植物通过光合作用产生的各种有机物。这些有机物为生物提供了食物，提供了各种各样的原料和能量。因此从某种意义上说，绿色植物是巨大的天然能源仓库。第53页,共131页，2024年2月25日，星期天生物质能源产量巨大，生生不息。生物质能源洁净，环保。生物质能源具有稳定的可获得性。生物质与化石燃料具有兼容性。油棕油菜

用油菜等油料作物，油棕等油料林木果实，可制得生物柴油。

生物质能源的特点第54页,共131页，2024年2月25日，星期天

目前生物质能的利用大多是直接燃烧。然而直接燃烧薪柴，能源利用率太低，仅10％。近几十年，人们对生物质能源的利用模式进行了广泛的基础研究。大体分为两个方面：一是由含糖类较多的作物中提取酒精或甲醇，二是制造沼气。这都和发酵有关，因此现代绿色能源的概念不只是指薪柴了，它包括植物本身，以及从植物、动物衍生物经发酵工艺所提取的能源。

生物质能源的开发乙醇汽油多品种原料生物柴油集成生产装置第55页,共131页，2024年2月25日，星期天

专家们断言，垃圾发电在21世纪将成为能源市场的一名新主角。城市垃圾资源十分丰富，且蕴藏着大量二次能源物质。通常城市生活垃圾中的灰渣，可燃物占27%，发热值8734KJ／Kg；菜类可燃物占23.5％，发热值5524KJ／Kg；纸类可燃物占84.4％，发热值15794KJ／Kg；塑料可燃物占88%，发热值37450KJ／Kg。综合起来，大约2t垃圾燃烧的热量就相当于1t煤燃烧时所发出的热量，1t垃圾可产生525KW的电能。利用垃圾最经济有效的方法就是利用垃圾发电。当前有多种途径。一种是利用城市垃圾填埋制取沼气，进行发电；而更主要的是将垃圾用焚烧炉燃烧的余热进行发电；再就是将垃圾制取成固体燃料直接燃烧进行发电。

垃圾发电第56页,共131页，2024年2月25日，星期天2007年6月20日拍摄的垃圾发电厂的主控室。6月20日，江苏省最大的垃圾发电厂――苏州市生活垃圾焚烧发电厂正式并网发电。这个垃圾焚烧发电厂投资5.3亿元，耗时两年建设完成，日处理生活垃圾1000吨左右，占到苏州城市日产生生活垃圾总量的近50%，日发电量达25万千瓦时。第57页,共131页，2024年2月25日，星期天

四、化学电池

电池是由电极、电解池、隔离层和容器等四个部分组成。第58页,共131页，2024年2月25日，星期天1799年，伏打（Volta.A.）据此设计出了现在被称为伏打电池的装置1836年，丹尼（Daniell）发明了世界上第一个实用电池。1866年，电化学家勒克朗谢以锌为负极，二氧化锰为正极，氯化铵溶液作电解质，这是电池发展的重大转折。以后，盖斯南将淀粉加入氯化铵中制成糊状电解质，从此，锌锰电池成了“干电池”。1904年爱迪生用氢氧化钠(烧碱)溶液代替硫酸，用镍、铁代替铅，制成世界上第一台镍铁碱电池。它的供电时间相当长，在当时可以算是“老寿星”了。你知道吗?第59页,共131页，2024年2月25日，星期天锌锰干电池：负极是锌做的圆筒正极是一根碳棒，周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混合剂包围。

原电池第60页,共131页，2024年2月25日，星期天干电池发电时反应如下：负极：Zn-2e-=Zn2+正极：2NH4++MnO2+2e-=2NH3+MnO+H2O电池反应:Zn+2NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+

MnO+H2O

使用过程中，负极锌筒逐渐消耗以致穿漏，正极处的MnO2的活性逐渐衰减，最后干电池不再供电而失效。第61页,共131页，2024年2月25日，星期天内部构造外部构造

蓄电池

蓄电池又称二次电池，可以通过充电使活性物质再生。蓄电池的两极均以铅板为骨架，正极铅板上是二氧化铅，负极铅板上是海绵状铅。第62页,共131页，2024年2月25日，星期天蓄电池放电时发生下列反应：负极(Pb):Pb+SO42--2e-=PbSO4正极(PbO2):PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O总反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

电池充电时发生与上述反应相反的反应电动自行车第63页,共131页，2024年2月25日，星期天锂电池自行车

锂电池

锂电池分为一次电池和二次电池两类，照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充放电的二次锂电池。第64页,共131页，2024年2月25日，星期天

锂离子电池目前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLIB)两类。其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂—碳层间化合物LixC6。充电时，在电场的驱动下锂离子从正极材料中脱出，经过电解质，插入到负极中。放电时，过程正好相反，即锂离子返回正极中，电子则通过了用电的电子产品中并为之供电。第65页,共131页，2024年2月25日，星期天

聚合物锂离子电池的原理与液态锂相同，主要区别是电解液与液态锂不同。电池主要的构造包括有正极、负极与电解质三项要素。所谓的聚合物锂离子电池是说在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料做为主要的电池系统。而在目前所开发的聚合物锂离子电池系统中，高分子材料主要是被应用于正极及电解质。正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用的无机化合物，电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质。聚合物锂离子工艺中没有多余的电解液，因此它更稳定，也不易因电池的过量充电、碰撞或其他损害、以及过量使用而造成危险情况。第66页,共131页，2024年2月25日，星期天丰田全新概念环保车，它的发动原理是以氢氧结合产生电力，排放物仅仅是水。

燃料电池

燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能的能量转换装置，也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率的汽车动力。第67页,共131页，2024年2月25日，星期天燃料电池的原理

燃料电池是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。不同的是燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。第68页,共131页，2024年2月25日，星期天氢氧燃料电池原理图第69页,共131页，2024年2月25日，星期天

氢氧燃料电池工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气或氧气）。氢在负极解离成H+和电子，H+进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧与电解液中的氢离子获得经外电路抵达正极上的电子而形成水。氢氧燃料电池原理第70页,共131页，2024年2月25日，星期天燃料电池的种类

燃料电池按照电解质类型分为五种碱性燃料电池(AFC)磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)固体氧化物型燃料电池(SOFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)第71页,共131页，2024年2月25日，星期天第72页,共131页，2024年2月25日，星期天燃料电池的优点能力转换效率高（节省燃料资源）污染小，噪音低高度可靠氢电动车第73页,共131页，2024年2月25日，星期天

锌银电池主要优点是比能量高，是铅蓄电池的3～4倍。适宜于大电流放电的锌银电池应用于军事、航空、移动的通信设备、电子仪器、人造卫星和宇宙航行等方面。制成钮扣式微型的锌银电池应用于电子手表、助听器、计算机和心脏起搏器等。

锌银电池第74页,共131页，2024年2月25日，星期天钮扣式锌银电池

常见的钮扣电池为银锌电池，它用不锈钢制成一个由正极和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为浓KOH，溶液两边用羧甲级纤维素作隔膜，将电极与电解液分开。一粒钮扣电池的电压达1.59V，安装在电子表里可使用两年之久。负极：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-总反应：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag第75页,共131页，2024年2月25日，星期天

笔记本电脑中的锂离子电池在一些情况下，可能会爆炸起火。锂电池内有加压的容器，装着含有高度可燃性的液体，同时又含有强力的氧化剂。2007年人们已发明了一种由银跟锌构成，不会爆炸的电池。电池里面的材料--大部分是锌、锌离子与水--并不会起火，使用这类电池的笔记本电脑可以支撑十小时，比锂电池更长。

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美国电池开发商ZPower近日在美国加利福尼亚州旧金山市举行的个人电脑开发商会议上展出面向笔记本电脑和手机的全新结构充电电池。此次开发的是正极采用银、负极采用以锌为主的复合高分子材料的充电电池。隔板也使用了自主开发的材料。由于电解液没有使用有机类溶媒，所以ZPower表示，与锂离子充电电池相比，该电池起火的危险性很低。单位体积的能量密度方面，目前的试制品为550Wh/L左右，与现有的锂离子充电电池相近。该公司计划将这一能量密度提高到650Wh/L左右，并于2008年中期前后量产供货。第77页,共131页，2024年2月25日，星期天

目前常用的太阳电池是由硅制成的，一般是在电子型单晶硅的小片上用扩散法渗进一薄层硼，以得到PN结，然后再加上电极。当日光直射到渗了硼的薄层面上时，两极间就产生电动势。这种电池可用作人造卫星上仪器的电源。除硅外，砷化镓也是制作太阳电池的好材料。

太阳电池第78页,共131页，2024年2月25日，星期天P型半导体的形成第79页,共131页，2024年2月25日，星期天N型半导体的形成第80页,共131页，2024年2月25日，星期天PN结第81页,共131页，2024年2月25日，星期天第82页,共131页，2024年2月25日，星期天第83页,共131页，2024年2月25日，星期天纳米晶化学太阳能电池

阳极：染料敏化半导体薄膜（TiO2膜）

阴极：镀铂的导电玻璃

电解质：I3-/I-染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。纳米晶TiO2太阳能电池的优点是成本低，工艺简单，性能稳定，寿命能达到20年以上。第84页,共131页，2024年2月25日，星期天染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作

(1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨(2)用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜第85页,共131页，2024年2月25日，星期天(3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结10～15分钟，然后冷却第86页,共131页，2024年2月25日，星期天

把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。利用天然染料为二氧化钛着色第87页,共131页，2024年2月25日，星期天

由染料着色的TiO2为电子流出的一极（即负极）。正电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构成，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。如图所示，把非导电面标上‘+’，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。

制作正电极

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利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。如图所示，在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。

加入电解质第89页,共131页，2024年2月25日，星期天

组装电池

把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。这样，你的太阳能电池就做成了。第90页,共131页，2024年2月25日，星期天

据1975年的报道，国外对第一个原子电池进行了测试。这个可输出20W、质量为1398Kg的原子电池已沉入北海海底，向邻近的海洋测量站供电。这种电池密封在长84cm、直径69cm、铅外壁厚10cm的圆柱体中。它的核心部分是锶90。当锶衰变时，产生了相当于300W的热能，然后通过热电发生器将热能转化为电能。最后输出的电功率是20W，电压28V。据称这种原子电池不需维护，至少可用5年，估计可用到10年。

原子电池第91页,共131页，2024年2月25日，星期天

纳米电池即用纳米材料（如纳米MnO2、LiMn2O4、Ni(OH)2等）制作的电池，纳米材料具有特殊的微观结构和物理化学性能。目前国内技术成熟的纳米电池是纳米活性碳纤维电池。主要用于电动汽车，电动摩托，电动助力车上。该种电池可充电循环1000次，连续使用达10年左右，且充电一次只需20分钟左右，平路行程达400Km，重量在128Kg，已经超越美日等国的电池汽车水平。

纳米电池第92页,共131页，2024年2月25日，星期天

微生物电池是用微生物的代谢产物，做电极活性物质，从而获取电能。21世纪是人类飞向宇宙的时代，在宇宙飞船这样的封闭系统中，排泄物的处理是必须解决的问题。美国宇宙航行局设计了一种一举两得的解决方案：用一种芽抱杆菌处理尿，使尿酸分解而生成尿素，在尿素酶的作用下分解尿素产生氨。氨用做电极活性物质，在铂电极上产生电极反应，组成了翱翔太空的理想的微生物电池。在宇航条件下，每人每天如果排出22g尿，就能够获得47W的电力。

微生物电池第93页,共131页，2024年2月25日，星期天更多地向太阳索取-太阳能的利用太阳能的流向

了解太阳能第94页,共131页，2024年2月25日，星期天太阳能能量流向示意图第95页,共131页，2024年2月25日，星期天

太阳能即太阳辐射，是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。可分为三个区：紫外区、可见光区和红外区。太阳光谱图第96页,共131页，2024年2月25日，星期天1、光电转换：把太阳能直接转换成电能，利用的是光生伏打效应。太阳能电池太阳能发电站

利用光照射在半导体材料上产生电子空穴对，在PN结上产生光电压和光电流，实现光电装换。太阳能电池计算器

有太阳能电池阵列、贮能蓄电池、防反充二极管、充电控制器及逆变器、测量设备等组成。太阳能发电站

太阳能的利用方式第97页,共131页，2024年2月25日，星期天

太阳能电池板国际空间站展开新太阳能电池板德国建立最大的太阳能发电站第98页,共131页，2024年2月25日，星期天

一种典型的太阳能电池是单晶硅太阳能电池。1954年最先出现的这种太阳能电池，能把接受到的太阳能的6％转换成电能，接近蒸汽机的效率。目前的转换效率已达18％。单晶硅太阳能电池的性能稳定，转换效率高，体积小，重量轻，很适合作太空航天器上的电源。目前，美国发射的近千颗卫星中，有95％都采用单晶硅太阳能电池作为能源。可是单晶硅太阳能电池制作成本高，价格昂贵，很难普及。

1975年以后，无定型半导体材料发展起来，它有希望成为比单晶硅更理想的太阳能电池材料。如美国能量转换公司制成了一种硅—氟—氢无定形合金半导体，用这种材料做成太阳能电池，既有单晶硅电池工作性能稳定、转换效率高的优点，又有无定形硅成本低的长处。它们转换效率最高可以达到25％。因它发出的电价格便宜，和火力发电价格不相上下，为太阳能电池的地面应用展示了光明的前景。

发展太阳能光电池第99页,共131页，2024年2月25日，星期天2、光热转换：把太阳能直接转换成热能低温热利用包括地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统等。中温热利用包括空调制冷、制盐以及其它工业用热。高温热利用包括聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉等。

太阳能的利用方式太阳能热水器第100页,共131页，2024年2月25日，星期天

利用几千块平面镜能把太阳光反射到巨大的聚焦镜上，再将光聚焦到太阳灶的工作区域，利用焦点处产生的高温来发电和作其他用途。我国西藏拉萨市有“日光城”之称，根据这个原理，在许多宾馆、机关单位屋顶上都有这种小型“太阳灶”。一个小型“太阳灶”便能基本保证家庭或宾馆的供热需求。这种方法在日光充足的地方可用。在日光照射不稳定的地方实用价值不高。

建立太阳能聚光器第101页,共131页，2024年2月25日，星期天

科学家们发现，某些化学物质受日光的照射后能吸收光能而暂时改变化合物本身化学结构，在一定条件下，它又能放出热量而回复到原来的结构。这种储能材料的发现比在屋顶安装集热器，用加热水的方法来取暖更先进得多了。只是目前储能材料的储能指标还不高，所以还不能大规模推广应用。

发展收集太阳能的储能材料第102页,共131页，2024年2月25日，星期天

第一次海湾战争期间，由于海湾地区的高温和阳光照射，使舰船甲板表面温度达到60°C以上。持续高温使美军参战官兵消耗极大，美军即紧急要求国内提供降温服装，Triangle公司很快研究制成了一种含有相变材料大胶囊的茄克，部分解决了甲板士兵的降温问题。这种茄克经过改进于2001年用于海军陆战队的三防服。该茄克可在40°C的气温下保持服内舒适达1~2小时，并且很容易再生，有效延长了美军作战部队在酷热条件下的战地值勤时间。美国军方还利用该原理制成了温度调节织物，在海军低温干式潜水服、空军防寒抗浸服、防红外隐身服装和陆军士兵保温靴袜等方面使用，具有良好的保温或降温效果。

你知道吗？第103页,共131页，2024年2月25日，星期天

人造能源湖的故事

大约19世纪末，罗马尼亚特兰西瓦地区的一名医生发现，该地的小湖一到冬天，湖面就结出冰层，但在冰下的深处，湖水的温度却高达60℃。20世纪初，匈牙利物理学家凯莱辛斯基也发现，迈达夫湖在夏末时，湖深1.32米处的温度高达70℃。经过研究发现，这些湖泊中的水都含有盐，而且湖泊中不同深度的水的含盐量不同。60年代初，以色列在死海海岸建造了一座625m2的人工小湖，在太阳的照射下，在80cm深处的水温达到了90℃。70年代末，以色列又建造了一个2.5m深、面积有7000m2的人工盐水湖，用它来收集太阳的热量使湖水加热，再用热水来发电，功率达150KW。1990年，意大利阿吉普公司在玛格丽塔·迪萨沃亚的盐田中，也建造了一个收集太阳能的盐水湖，可使湖水温度达到90℃。在这个太阳能湖的湖面上，还有一个巨大的聚光板，用来增加收集阳光的热量。意大利的一位叫赞格拉多的女科学家建造了一个小型的太阳能盐水湖，使盐水湖的温度达到了105℃。利用太阳能加热的人工湖可以直接用来取暖，也可以用来发电。

你知道吗？第104页,共131页，2024年2月25日，星期天

巧用太阳能淡化海水

1991年海湾战争中，伊拉克虽然失败了，但战争结束时，伊拉克军队在撤离科威特之前，把科威特的大部分海水淡化工厂破坏得一塌糊涂，使科威特人陷入了无淡水饮用的恐慌之中。法国南锡化学工程科学实验室的化学家皮埃尔·利·戈夫，经过多次失败，终于设计出一种非常小巧轻便的太阳能海水淡化装置。它有一个盛海水或咸水的桶，桶里的水靠自身的重力向下流到几块彼此垂直平行相隔4cm安放的铝板旁边，太阳光透过透明的乙烯塑料板照射到铝板上，为了有效利用阳光，还有一面可调整角度的反射镜，使阳光垂直照射到铝板。第一块铝板可以被阳光加热到94℃，于是在这块铝板旁边悬挂的细纱布上的海水很快蒸发变成水蒸气。水蒸气穿过4cm的间隔遇到第二块铝板时，就冷凝成水滴，在冷凝时水滴释放的热量会加热这块铝板，这块铝板又使另一块悬挂在它旁边的细纱布上的盐水蒸发，这个过程依次进行到最后一块铝板和细纱布。在最后一块铝板上得到的冷凝蒸馏水的温度约为45℃

。所有6块铝板上的冷凝蒸馏水都滴落到海水淡化装置底下的一个蒸馏水收集容器内。这个海水淡化装置像一个小型温室，每天每平方米太阳能收集器可以生产20L蒸馏水，一个普通的单水桶太阳能蒸馏器一天可以产2.5—3.0L蒸馏水，很适合偏远贫困的干旱地区淡化海水，且便于搬运。

你知道吗？第105页,共131页，2024年2月25日，星期天氢是万物之祖。早在16世纪，瑞士—德国物理学家巴拉塞尔斯观察到硫酸和铁反应产生一种能燃烧的气体。1766年英国的卡文迪什认识到这种气体是一种独特的物质，并用水蒸汽通过一根炽热的枪管制备它。法国化学家拉瓦锡把这种气体命名为氢，意思是水的制造者，因为它在空气中能燃烧生成水。

能源新星-氢能源你知道吗？第106页,共131页，2024年2月25日，星期天燃烧热很大，每千克燃烧发热量是汽油的3倍。燃烧产物是水，无污染，可循环使用。资源丰富。密度特别小，便于储存、运输。适用性强

氢能源的优点第107页,共131页，2024年2月25日，星期天氢气作为能源遇到的两个问题？？氢气的制备氢气的储存第108页,共131页，2024年2月25日，星期天氢气的制备（1）热化学制氢

将碳水化合物输入高温化学反应器，生成由H2、CO、CO2

和CH4

等组成的合成气体，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量，最后将氢气分离提纯得到氢气。甲烷重整制氢是目前运用最为广泛的制氢技术。（2）电解水制氢

直接利用电能使水电解产生氢气和氧气。flash第109页,共131页，2024年2月25日，星期天人工光合作用

人工光合作用利用光合作用的原理，通过光裂解水分子，直接提取氢气。催化核心结构第110页,共131页，2024年2月25日，星期天氢气的储存气态氢存储瓶液氢存储装置储氢合金粉第111页,共131页，2024年2月25日，星期天储氢材料储氢示意图储氢合金LaNi5结构和CaCu5相同

钛、镁等金属，能像海绵吸水一样将氢吸入储存起来，这种金属被称为储氢金属。用储氢金属储氢，更安全，更方便。第112页,共131页，2024年2月25日，星期天氢能的利用氢内燃机汽车氢气作为航天飞机的主要动力直接燃烧燃料电池第113页,共131页，2024年2月25日，星期天

目前开发的氢能电池有两种：一是贮氢电池：贮氢电池又称金属氢化物—镍电池（MH／Ni电池），它是用贮氢合金作为阴极，金属镍作阳极，以碱性溶液作电解液组成的新型二次电池。贮氢电池具有高能量密度，无电解液浓缩，耐充放电能力强，无毒性。二是氢燃料电池。它是指使用氢作为活性物质，与氧气发生电化学反应，在清洁的环境下获得直流电能的发电装置。其反应过程与水的电解过程正好相反。目前，氢燃料电池已成为继水力、火力、原子能发电之后的第四代发电技术装置。第114页,共131页，2024年2月25日，星期天经济清洁安全的能源-核能

使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。核裂变核聚变

反应前的四个氢原子核的质量要大于反应后的氦原子核，存在着质量亏损，这样的反应叫做轻核聚变反应。第115页,共131页，2024年2月25日，星期天核裂变第116页,共131页，2024年2月25日，星期天

核反应中的能量变化比化学反应大几百万倍。１公斤标准煤燃烧释放能量29260焦尔１公斤石油燃烧释放能量418000焦尔１公斤铀—235裂变释放能量685.5亿焦尔１公斤氘氚混和物聚变释放能量3385.8亿焦尔我们生活的地球上，核能资源非常丰富，可作裂变燃料的铀和可转化为核燃料的钍储量很大，相当于化石燃料总能量的10万倍以上。按照现在全世界能量消耗水平计算，可用上万年以上。轻核聚变产生的能量更为惊人，在海水中的氘达1亿吨，可供人类使用1000亿年。你知道吗？第117页,共131页，2024年2月25日，星期天

可用作能源的核反应，目前主要有重元素原子核（铀—235、铀—233、钚—239、钍）的裂变反应和轻元素（氘、氚）原子核的聚变反应两大类。要大规模和平利用裂变能必须满足两个条件：第一：重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控的。实现可控式反应的装置称为反应堆，目前大多数核电站用的都是热中子反应堆。快中子不容易引起裂变，需要采用慢化剂。常用的慢化剂有普通水、重水和石墨，相应的反应堆称为水堆、重水堆和石墨堆。石墨堆和重水堆可用天然铀作燃料，普通水堆由于吸收中子过多，不能用天然铀，而必须用浓缩铀作燃料。第118页,共131页，2024年2月25日，星期天核能不仅是一种高效经济的能源，而且也是一种清洁、安全的能源。核电站在任何情况下都不具备核爆炸的条件。核燃料虽然被称为“燃料”，却并不能燃烧。它既不消耗氧气，又不产生二氧化碳；既没有灰和烟，也没有大量的苯等致癌物质。从生产单位能量所产生的危害程度来看，核电小于煤、石油、甲醇、风力和水电站等，仅略高于天然气电站。当然核电站也有不安全因素存在，就是反应堆内存在大量的放射性物质。