新型能源材料与纳米技术

1、新型电池材料与纳米技术,从能量转换的观点可将电化学过程分为两大类: 1）利用化学反应，产生电流，将化学能转变为电能：原电池； 2）用电流做功来推动化学反应，将电能转换成化学能：电解池。,原电池与电解池：,电位较高的电极是正极（positive electrode），电位较低的则是负极（negative）。 表面进行是氧化反应的电极叫做阳极（anode），表面发生还原反应的电极叫做阴极（cathode）。,根据电流的方向可知，原电池的负极向外电路给出电子，发生氧化反应，故为阳极；而正极要接受外电路中流过来的电子，发生还原反应，故为阴极。 在电解池中电流方向刚好相反，发生氧化反应的电极，电位较正，

2、为正极（阳极）；而发生还原反应的电极，电位较负，为负极（阴极）。,1833年发现了法拉第定律，电化学理论获得了进一步的发展。 电流通过溶液时，在电极上发生变化的物质的量与所通过的电量成正比（M=KQ=KIt）；,Michael Faraday （1791-1867),法拉第定律又叫电解定律，是电镀过程遵循的基本定律，至今仍然指导着电沉积技术，是电化学中最基本的定律。 法拉第第二定律：电解过程中，通过的电量相同，所析出或溶解出的不同物质的化学当量相同。即每电解1 mol的物质，所需用的电量都是1个“法拉第”(F)，等于96500C（6.0210231.610-19C）。,进入新世纪以来，我国汽车

3、产业实现快速发展。2016年产销量突破2800万辆，已连续八年位居世界第一位。 尤其在新能源汽车领域，我国已成为最大的生产和销售市场。2016年，我国新能源汽车产销突破50万辆，累计推广超过100万辆，占全球50。 全球已经有多个国家启动了禁售燃油车的程序。自2015年起，以荷兰为首的一些欧洲国家就加入了“国际零排放车辆联盟”，承诺将在2050年以前让所售新车全部为新能源车型。随后，挪威、法国、德国、英国等国也先后公布了禁售燃油车的计划，禁售时间表普遍定在2025-2040年这一区间。 从现在到2025年将是汽车产业变革最为剧烈的几年，传统汽车节能减排要求越来越高，新能源汽车发展加快却对技术要

4、求越来越高，智能网联汽车将对整个产业带来巨大影响。,人类的生活水平不断提高，能耗也不断提高， 世界如此，中国更是如此。,中国和世界能源储量比较,传统能源对环境的污染,能源危机，环境污染,开发新型 清洁能源,新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能、氢能等，而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气等能源，称为常规能源。,特点： 资源丰富，普遍具备可再生特性； 能量密度低，开发利用需要较大空间； 不含碳或含碳量很少，对环境影响小。,风 能：,风能的转换效率低； 风速不稳定，产生的能量大小不稳定； 需要大量土地兴建风力发电场，才

5、可以生产比较多的能源； 风力发电机会发出庞大的噪音，只能在空旷的地方兴建。,太阳能：,尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达73,000 TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。,原理: 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电能的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅， 非晶硅，CdTe，CuInGaSe2（CIGS）等。 它们的发电原理基本相同，以硅为例，P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。 当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。,晶体硅太阳能电池：设备成本相对较低，光电转换效率也高（实验室25%，产业化22.9%），在室外阳光下发电比较适宜，但消耗及电池片成本很高（厚度400 m）；,薄膜太阳能电池：材料消耗较少（膜厚2m），弱光效应好，在普通灯光下也能发电，但相对设备成本较高，转换效率低（CuInGaSe，实验室20.3%，产业化16.5%）。,优点：普遍，无害，巨大，长久。 缺点： 不稳定性：到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，给太阳能的大规模