第一讲新能源材料

1、新能源材料授课老师：闫翠霞,2020/7/6,2,能源和材料是社会发展的物质基础。新能源（主要指绿色的可再生能源）具有分布普遍、储量丰富、可以互补、对环境和生态影响小等一系列特点。新能源开发和有效利用的关键之一是与其相应的材料。,本课程 首先通览能源面临的形式，发展新能源及新能源材料的必要性，与取得的主要进展， 然后从分析各种新能源（热能、氢能、太阳能、二次能源、燃料电池等）的特点出发，学习各种新材料在能源转换中的应用，存在的问题，相关的研究及材料基础理论在其中的应用和发展，有关的能源政策。,2020/7/6,4,第1讲 能源导论 第2讲 我国材料发展战略和新能源材料产业简介 第3讲 储氢材料

2、与氢能 第4讲 镍氢电池材料 第5讲 锂离子电池材料 第6讲 光伏产业介绍 第7讲 太阳能材料 第8讲 半导体照明及半导体照明材料 第9讲 燃料电池材料 第10讲 风能材料 第11讲 核能材料 课堂发表，课程论文选题，提交课程论文,2020/7/6,Prof.GAN Guoyou,School of MSE,KMUST,5,课程考核要求 平时出席/作业 35%； 课堂发表（5-10分钟）20%； 个别讨论 15%； 课程论文 30%。,2020/7/6,6,第一讲 能源导论,能源应用现状,新能源及其发展现状,能源定义 可以直接或间接提供人类所需的光、热、电、动力等任何形式的载能体资源。,能源定

3、义目前约有20种。例如：科学技术百科全书说：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；大英百科全书说：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；日本大百科全书说：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国的能源百科全书说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。,新能源,化石能源,太阳能,电能,生物质能,人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服自然的历

4、史。 (1)火的发现和利用； (2)畜力、风力、水力等自然动力的利用； (3)化石燃料的开发和热的利用； (4)电的发现及开发利用； (5)原子核能的发现及开发利用； (6)新能源的开发与利用。,Company Logo,地球能量的来源和分类,能源的来源： 来自地球外部天体的能源（主要是太阳能） 煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。 地球本身蕴藏的能量 如原子核能、地热能等。 地球和其他天体相互作用而产生的能量 如潮汐能。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热

5、的表现。,能源分类,1 一次能源和二次能源（按获得的方式） 一次能源：是自然界直接提供的能源.如煤、石油、天然气、风能、水能等 二次能源：即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等 2 再生能源和不可再生能源（按是否再生） 可再生能源：对于一次能源，如太阳能、风能等可从自然界源源不断的得到的能源。 不可再生能源：如煤、石油天然气以及核燃料等一旦消耗很难再生的能源。 3 清洁能源和非清洁能源（按对环境污染） 清洁能源：对环境无污染或污染很小的能源。如：太阳能、水能、风能 非清洁能源：对环境污染较大的能源。如：煤、石油、天然气等化石能源 4 常规能源和新能源（按利用程度）

6、常规能源：化石燃料、水流能、风能等人类早就应用的能源. 新能源：核能、太阳能、地热能、潮汐能等新近才开始利用的能源,能源分类,形成条件,利用技术,化石能源：煤、石油和天然气,1. 煤的种类及主要成分,煤的化学组成,C：主要可燃成分， C (s) + O2 (g) = CO2 (g) rHm(298.15k)= -393.5 kjmol-1 H：主要可燃元素 有效氢与C S P结合，可燃烧 化合氢与O 结合，不能燃烧 O , S, N等：有害成分。,石油和天然气,石油的主要组成元素为 C H O N S 8387% 1014% 0.0525% 0.020.25% 0.058,和煤相比（1）石油含

7、氢量高，含氧量低。 （2）石油中的碳氢化合物以直链烃为主。 煤中的碳氢化合物以芳烃为主。,各种石油产品：,(1) 人类社会对能源的需求不断增加。 能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。 人类社会的发展伴随着能源消耗的增加。,能源应用现状,我国石油产品需求预测,其它：LPG、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等 2004年我国汽柴油消耗分别达4706万吨和10292万吨(合计1.5亿吨),2004年，产量500万辆，到2010年预计汽车年产量达到800到1000万辆,2020年 原油需求控制在4.5亿吨，至少进口2.5亿吨，对外依存度65%,表4 2004年世界主要国家能源消费结构,(2)能源结构发生

8、变化。,Company Logo,我国能源的利用特点,能源资源相对短缺 煤炭可采量约1160 亿吨, 人均可采量89.8 吨, 为世界1/2, 石油剩余可采储量23.8亿吨, 人均2.6吨, 为世界的1/9, 天然气剩余储量1.23万亿m3,人均1074m3, 为世界1/23, 水电可开发容量3.79 亿千瓦,人均0.29千瓦。 石油资源不足 2006 年石油生产1. 84 亿吨, 消费3. 2亿吨, 进口已达1.36 亿吨, 对外依存度43 %。 能源生产和消费以煤炭为主：消费总量占70%左右，污染大，利用率低。 能源利用效率低，清洁能源和新能源利用率不高。,20,我国作为发展中大国，能源消

9、耗巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。 2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦； 2020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% 。,(3) 能源应用形态有所改变。,小型的可移动电源的需求量增长很快，这主要是信息技术发展的结果；特别是近年来笔记本电脑、手提电话等移动通信、摄像机、声像设备以及一些军用电子设备的发展，对电池的能量密度要求更高，并要求能够反复使用。因此促进了高容量二次电池的发展。,(4) 矿物能源面临枯竭。（

10、1992世界能源大会）,23,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。,(5) 矿物燃烧造成环境污染。（SO2、CO、CO2、NO） （植被、土壤；气候；健康）,2010,550 ppm,从左图大气CO2浓度随年代的变化及其在全球的分布图可以看出

11、： 很明显，近20年来，CO2的浓度上升迅速非常迅速，2010年将接近550ppm。 而且，主要分布在美国和中国所在的北半球高纬度60-80度处。,二氧化碳是化石能源的最终排放形态,表3 全球各国CO2排放量比较排行,在北京、上海等大城市，空气污染的60%来自汽车排放 二氧化碳的全球排放量中，中国居第二,生态环境恶化,温室效应 大量CO2：如燃料释放200亿吨/年，总量可达 290亿吨/年。带来的后果： 气候异常，如干旱、洪水、风暴、沙暴； 作为食物和氧气源的浮游生物大幅度减少； 大气臭氧层破坏 臭氧洞达700万km2 南极臭氧保护层破坏了60%， 北极臭氧保护层也减薄了至少30% NOX、S

12、OX等有害气体酸雨 带来的后果：农业问题,森林破坏,建筑物,桥梁,铁路腐蚀 各类固体废弃物数量巨大 其中仅生活垃圾一项，全球就达100亿吨/年 水污染越来越严重（河，湖，海，地下水）,因二氧化硫排放 每年经济损失1126亿元 (世界银行统计超过5000亿元),污 染 现 状,温室效应,“温室效应”使地球变暖带来的严重后果 A、根据IPCC的预测，2050年地球的平均气温将增加2.51 B、专家认为：近100 年来，全球年平均气温上升了0.6。预计到2100年，全球年平均气温将比1990年上升1.53.5 C、美国皮尤全球气候变化研究中心发表的一份报告估计，到2100年全球气温将升高1.3-4.

13、6摄氏度，并导致海平面升高17-99 厘米。 D、全球森林面积迅速下降，现有森林已无法吸收各国所排放的二氧化碳，已使大气层中二氧化碳含量迅速增加，整个气候状况已经进入恶性循环状态。 E、气候变暖有可能导致极地冰帽迅速融化，进而使海平面上升，引发大规模洪水。在地球历史上发生于15万年前的冰川期则只是因为在2万年内地球气温升高5所造成的。 温室效应还会造成极端降水（暴雨、暴雪）、飓风、山崩及泥石 流等“非常事件”将频繁出现。专家们注意到，在过去几年里，衡 量气候变化的“非常事件指数”（Extrenme Event lndex）不断攀 高，由于气候变化而引起的自然灾害随时可能出现。 G. 温室效应造

14、成厄尔尼诺现象频繁发生，气候异常、危害严重,1秒钟世界的变化,格林兰冰川的融化： 1.6 吨/秒 淡水的使用 ： 103 m3/秒 天然林消失： 5,100 m2/秒 可耕地减少国 ： 2,300 m2/秒 沙漠扩大 ： 1900 m2/秒 其中仅我国就达78 m2/秒 我国天然草原减少 ： 5 13 m2/秒,据测算，到2050年，部分国家因环境恶化不得不移民的人数是惊人的！, 环境难民,(Bo.R.DooS,Global Envirnmental Change,1997,7(1):41), 人类生存面临危机,应对气候变化的国际行动 为应对全球气候变化，国际社会制定了联合国气候变化框架公约和

15、京都议定书。许多国家和非政府组织相应建立了碳基金，并以此为平台开展减排和碳汇项目。以实际行动参与应对气候变化,联合国气候变化框架公约,解决地球环境问题的途径,即实现资源、环境与材料的可持续发展,35,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部分。 新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源系统，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，降低成本。 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。,新能源及其发展现状,37,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,

16、风能,潮汐能,地热,核能,38,2009年，世界第八大石油公司巴西石油公司旗下的生物能源公司代表来到成都，与四川大学生命科学学院洽谈，希望能将四川的麻风树引进到巴西种植。 麻风树是世界上公认的生物能源树，其果实可全部用来炼取生物柴油，而且在“碳汇交易”市场上具有巨大潜力，,麻风树种植,麻风树果实-小桐子,39,2011年11月，从小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于波音747客机在首都机场首次验证试飞成功。 本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公司合作完成。 试飞成功标志着我国已具备研发生产航空生物燃料的技术能力，这对于促进生物燃料应用，应对气候变化、解决能源问题具有重要意义。,40,

17、新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需的关键材料，主要包括： 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 硅半导体为代表的太阳能电池材料 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料 -,41,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,世界光伏电能、风能、生物质能(酒精)的发展趋势,世界电能分布,光伏电能,风能,生物质能,43,太阳能电池材料,太阳能： 最清洁、最强大的能源，取之不尽，用之不竭

18、； 地面上，晴天，每平方米植物表面可接受1000W能量,45,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3.81018kW，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； 安全卫生，对环境无污染等。,人造卫星上的太阳能电池,46,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,太阳能的利用,太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据太阳能的特点，具有共性的技术主要有四项，即太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存和太阳能传输，将这些技术与其它相关技术结合在一起，便能进行太阳能的实际利用-光热利用、光电

19、利用和光化学利用。,太阳能直接传输,直接传输适用于较短距离，基本上有三种方法： 通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点； 通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲； 采用表面镀有高反射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。,太阳能间接传输,间接传输适用于各种不同距离。 将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内； 将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点； 空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。,光电转换利用太阳能,即通过半导体材料直接将太阳辐射能转变为电能(直流电)。 目

20、前太阳能电池的种类主要有硅、硫化镉、砷化镓等电池。 电池技术较成熟，主要用于航天、无人灯塔、无线电中继站、无人气象站、浮标和电围栏等作为电源。,光化学转换利用太阳能,通过光解或电解作用的热化学方法制造氢气，是对未来能源发展具有战略意义的一个途径。 意大利和瑞士发明了一种有效地利用太阳能分解水中氢气的方法，从生态角度上看，氢气一直被认为是理想的燃料，因为氢不产生有害废弃物，它燃烧后的唯一副产品是水，所以氢是一种清洁的燃料。,太阳能光利用最成功的是用光电转换原理制成的太阳能电池（又称光电池）。太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。,太阳能电池,53,通过光电转化将太阳辐射能转化为电

21、能加以利用是太阳能利用中最活跃的研究领域。,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, 第一代 太阳能电池采用单晶硅技术制备，转换效率 1523%，性能稳定、价格贵, 第二代 太阳能电池采用多晶硅薄膜技术制备，转换效率1019%，材料省，成本较低,第三代 太阳能电池, 以两类太阳能电池为典型：,1、以先进薄膜技术为基础制备的非晶硅薄膜叠层太阳能电池，转换效率高，最高35%，可大面积沉积，成本低，重量轻； 2、有机半导体太阳能电池，转换效率不高约25%，但价格低，可以用喷涂和印刷方式大规模生产,薄如纸片的太阳能电池,56,全球最大规模的光伏太阳能发电项目鄂尔多斯市政府与美国firs

22、t solar公司共建2000兆瓦太阳能光伏发电厂,57,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,58,2011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

23、.2万个太阳能电池板，翼展长度大约64米。,59,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，在背面制作金属膜作为背面接触电极。 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,60,非晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池是以非晶硅为衬底的薄膜太阳电池，电池效率已达到13；世界总组件生产能力达到每年50MW，应用规模从手表、计算机等消费品用电源发展到兆瓦级的独立电站。,非晶硅太阳能电池,61,化合物太阳能电池,化合物太阳电池所用材料包括II

24、-VI族化合物和III-V族化合物。 II-VI族化合物包括CdTe、CdS和CuInSe2等，制成的薄膜太阳电池转换效率高、成本低、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,太阳能电池重量轻，无活动部件，使用安全。单位质量输出功率大，即可作小型电源，又可组合成大型电站。目前其应用已从航天领域走向各行各业，走向千家万户，太阳能汽车，太阳能游艇，太阳能自行车，太阳能飞机都相继问世，它们中有的已进入市场。然而对人类最有吸引力的是所谓太空太阳站。,太阳能空间

25、电站 随着地球上石油、煤炭资源的日益枯竭和环境污染的不断加剧，人类把目光投向太空，预计到下个世纪初将建成空间电站，以解决日益紧张的能源问题。 空间电站实际上是利用太阳能发电的卫星，这些卫星表面覆盖有太阳能电池板，能够吸收积聚大量太阳能并将其转化为电能，通过微波束将电能传送回地面。,它是由永远朝向太阳的太阳能电池列阵，能把直流电转换成微波能的微波转换站，发射微波束能的列阵天线等三部分组成，通过天线以微波形式向地面输电。在地面上则要建一个面积达几十平方公里的巨型接受系统。,太空太阳电站是十分巨大的，据计算一座81010W的太空太阳电站其太阳能电池的列阵面积即达64km2，要装配几百亿个电池片，把微

26、波发往地球的天线列阵面积需2.6 km2。,在近地轨道直接组装太阳能电站,太阳能发电系统,太阳能电源是由太阳能电池发电，经蓄电池贮能，从而给负载供电的一种新型电源，广泛应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路、也可为无电山区、村庄、 海岛提供电力。,大面积太阳能电池板(发电站用),美国“太阳神” 号无人驾驶飞机，使用接触式太阳能电池，效率达到 23 %,太阳能公寓,美国宇航局探测器用PV装置,太阳能新产品,太阳能冰箱：印度研制成功一种太阳能冰箱，在平底的太阳能收集器里，盛有氨和水的溶液，太阳光把氨从液体中蒸馏出来，并在另一个容器里冷藏下来。晚间把液态氨送到冰箱管道里，氨吸收热量使冰箱内部

27、冷却下来。,太阳能新产品,太阳能空调器：日本夏普电器公司制造的太阳能空调器，当天气晴朗时，全部动力都由太阳能电池供应；多云或阴天时使用一般电源。,太阳能电视机：芬兰生产的太阳能电视机，只要白天把半导体硅电池放在阳光下，晚上不需要用电便可观看电视，可连续使用34小时。,太阳能换气扇：日本新近推出一种太阳能楼房专用换气扇，安装在有太阳能电池板的窗框上，太阳能电池产生的电流能驱动换气扇旋转，换气能力达每分钟1立方米。 太阳能收音机：德国开发研制成功一种太阳能收音机，它能把太阳能转变成直流电，作收音机的能源。,太阳能电话机：在法国的图尔市，新建了世界上第一批太阳能电话机。设有这种电话机的电话亭的顶端装

28、设了太阳能电池，电话机完全依靠太阳能作无线通讯的能源。这种电话机话音清晰，无通话障碍。它将在法国各公路沿线普遍设立。英国一家无线电公司，也研制成功了类似的电话机。,太阳能照像机：日本研制成功世界上第一架太阳能照像机，重最仅475克，机内装有高效太阳能电池板和蓄电池，蓄足电力可连续使用4年。美国一家公司也生产出了一种新型的135照像机，其动力由太阳能电池板供应，只要有光线就能提供能源。,太阳能汽车：日本东京电机大学最近设计出一种轻型太阳能轿车，其车顶上安装了两组蓄电池，利用太阳光充电后交替使用。一组蓄电池充电后可行驶110公里，夏季日照最长季节可达150公里，最适宜于日照时间长的地区使用。不用燃

29、油，不污染环境。,太阳能汽车,太阳能自行车：美国科学家最近设计出了一种太阳能自行车。它在普通自行车上装一块由44个光电池组成的电池板，还装置一个铝蓄电池和功率为05马力的小型电动机。这种两用车在平地上行走时可用脚蹬，在上坡或身体疲乏时，则可开启电动机驱动自行车加速行驶。,太阳能牙刷：日本科学家最近开发研制出一种太阳能牙刷。在这种牙刷的柄腔内放置一定数量的二氧化钛，经太阳光照射后钛的氧化物会放出电子束，这种电子束使牙齿及其周围形成微小电场，并使牙刷的刷丝硬化。由于电磁效应和机械作用，可迅速清除粘贴在牙齿上的污垢。,太阳能发电的前景,专家预测，到2050年，全世界消耗电量的14将是太阳电，到21世

30、纪末，可能会达到50以上。到那时候，人类居住的房屋将发展成金字塔型。因为外壁用“非晶硅太阳能砖”砌成的这种形状的住宅，可用最大面积采光发电，并用高效的贮电装置贮存起来供人们使用。,空间发电有两大优点：一是可以充分利用太阳能，同时又不会污染环境，二是 不用架设输电线路，可直接向空中的飞船和飞机提供电力，也可向边远的山区、沙漠和孤岛送电。 科学家预测，一旦建成空间电站，人类可以不断获得能源，地球能源利用将产生革命性变化。,太阳能供电系统的特点,1.不必拉设电线，不必挖开马路，安装使用方便； 2.一次性投资，可保证二十年不间断供电（蓄电池一般为5年需更换）； 3.免维护，无任何污染。 太阳能电源可分

31、为直流供电系统和交直流供电系统二种。,太阳供电系统,碰到的问题,空间运输成本问题 。 法国电力公司课题研究部顾问吕西安德尚说，要使太阳能卫星变得可行，空间运输成本最少也得降低99。,太阳能利用的优点,普遍性，太阳光照射的面积散布在地球大部分角落，仅差入射角不同而造成的光能有异，但至少不会被少数国家或地区垄断，造成无谓的能源危机。 永久性，太阳的能量极其庞大，科学家计算出至少有六百万年的期限，对于人类而言，这样的时间可谓是无限。,无污染性，现今使用最多的矿物能源，其滋生的问题不外是废物的处理，物体不灭，能源耗竭越多，产生污染也相对增加，太阳能则无危险性及污染性。 在人类与自然和平共处的原则下，使

32、用太阳能最不伤和气，且若设备使用得当，装置成后所需费用极少，而每年至少可生11017千瓦的电力。,太阳能利用的缺点,稳定性差，受日夜季候的影响，太阳能不断地生变化。 装置成本过高，吸收太阳能的受光面积须达一定规模方有效果，因此相对地成本提高。 有人针对太阳能的污染问题提出“目视污染”，意即庞大的太阳能收集器造成视觉上的污染。,能量转换的效率问题 美国慕尼黑理工大学空间技术研究所名誉所长哈里鲁普认为，在把太阳能输送到地球的过程中存在的能量转换的效率问题。他还担心微波束可能会把经过其传输路径的鸟或人烤熟并可能引起电磁干扰，扰乱飞机的雷达系统。,新型二次电池,93,一次电池使用后常随普通垃圾一起被丢

33、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：放电时通过化学反应产生电能，充电时则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,94,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,新型二次电池发展的推动力 ： 天然能源（石油、煤）在不断消耗，终将枯竭，寻求新能源的呼声愈来愈高 。 环境保护的呼声愈来愈高。（无毒、

34、无污染） 信息技术的发展要求电池小型化、轻型化、长的服务时间和工作寿命。 航天领域和现代化武器对轻质高能二次电池的需求非常迫切。,7.2 新型二次电池,不断涌现的电子新产品需要性能更优的电源 如：Apple公司出品iPod photo播放音乐最长达15小时；播放有音乐的幻灯片最长达 5 小时 APPLE的iBook 需用容量为: 3300 mAh ，10.8 V的锂离子电池 市场期待己久的电动车需要功率更大的电池，因而出现了第二代的锂离子电池,锂离子二次电池的特点,高比能量 (180-200Wh/Kg) 长循环寿命 (500-1000次) 高电压 (3.6V) 低自放电(6-8%/月) 无记忆

35、效应 绿色能源,Company Logo,据德国汽车与体育杂志报道，新一代奔驰CLKSmart 电动双座微型车明年将使用锂离子电池。目前的车型使用钠镍氯化物电池。,二次电池,Company Logo,锂离子电动车,整车重量75kg，电机功率180W，锂离子电池36V-8Ah，最高时速25km/h，行程=50km,混合动力公交车,102,Ni/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

36、性能好； 无Cd元素对环境的污染。,Ni/MH二次电池,103,2010年，我国电动汽车已从研发阶段进入产业化阶段，成为全球电动汽车产业和市场开拓中一支不可忽视的力量。 未来五至十年，混合动力汽车将成为传统汽车节能技术改造、升级换代的主要方向，纯电动汽车将成为近期发展战略的主流，,一汽丰田的普锐斯混合动力汽车,上海通用的雪佛兰混合动力汽车,104,我国已建立了具有自主知识产权、适用于中国公共交通和私人汽车市场特色的混合动力、纯电动、燃料电池动力系统技术平台，掌握了整车集成技术。 在电机、电池和控制系统方面，车用镍氢和锂离子电池、车用燃料电池等对电动汽车性能有决定性影响的零部件领域，我国也取得重

37、要进展。,2010年5月，成都4辆电动公交车上路，分别运行16路和28路，充电后空载可行驶270多公里,使用镍氢电池的电动助力车,绿色环保的镍氢电池,106,燃料电池材料,燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。,燃料电池,108,燃料电池是直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效且与环境友好地转化为电能的材料。它是继水力、热能和核能发电后的第四种发

38、电技术。 燃料电池与二次电池不同的是不在内部储存能量，利用输入燃料与氧的氧化还原反应输出电能。,甲醇燃料电池（DMFC）,博能燃料电池 功率: 200W 重量: 9kg (19.84 lbs),亚太燃料电池 功率: 3,000W 重量: 10kg (22lbs),燃料电池,Company Logo,燃料电池汽车,本田新型燃料电池车FCX Clarity投产,燃料电池：效率高，无污染，用于汽车，但质子交换膜与催化剂太贵，目前为$125/kw，内燃机为$30/kw。今后可能会便宜，因无转动部件，构造简单。,燃料电池的应用前景 以目前容量最大的燃料电池发电厂为例，当使用天然气为燃料时，不但只排出极其

39、微量的氮化物及二氧化硫，而且其转换效率可达40以上。若再配合热电联供技术，利用所回收的废热，则效率可超过80，且发电厂的噪声低于55dB。燃料电池不但可以给人类一个更美好的生态环境，还能解决输送电能带来的高成本问题。,112,许多国家投入大量人力和财力进行燃料电池研究，相继开发： 碱性氢氧燃料电池AFC 磷酸型燃料电池PAFC 熔融碳酸盐燃料电池MCFC 固体氧化物燃料电池SOFC 质子交换膜燃料电池PEMFC 甲醇燃料电池DMFC,碱性氢氧燃料电池,磷酸燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池,固体氧化物燃料电池,质子交换膜燃料电池,1990年，美国清洁空气法首次提出电动汽车概念，这种汽车用电池驱动，燃

40、料电池将最终成为电动汽车的动力源。 2002.12.4 日本首台燃料电池汽车上市。将氢气填充在车内配置的高压罐内，充满1次即可行驶大约300公里，最高时速可达155公里。,114,燃料电池应用,115,航天用碱性燃料电池是石棉膜碱性燃料电池。 电池用含32KOH水溶液的石棉体作电池隔膜，平均输出功率7kW，电压为30V，寿命达到2500h。 哥伦比亚号、挑战者号等航天飞机使用石棉膜碱性燃料电池，累计飞行时间超过27000h。,哥伦比亚号,发现者号,挑战者号,116,为适应未来1000kW级、超长寿命的航天电源要求，碱性燃料电池改进后工作寿命延长到105h。 AFC另一重要应用领域是作为潜艇动力

41、电源，德国西门子公司已开发出100kW的AFC在潜艇上使用。,阿穆尔潜艇的燃料电池组,俄基洛级常规燃料电池潜艇,德阿穆尔燃料电池潜艇,117,磷酸型燃料电池PAFC,磷酸型燃料电池(PAFC)是用天然气重整气为燃料，空气为氧化剂，以浸有浓H3PO4的SiC微孔膜作电解质，Pt/C为电催化剂，产生的直流电经过变换后供给用户使用的电池。,磷酸燃料电池,118,50-200kW的PAFC可供现场使用，作为医院、银行的不间断电源使用。 1000kW以上的PAFC可供区域性电站使用。 世界有大量PAFC电站，最长已运行数万小时，具有高度的可靠性。 PAFC工作时启动时间较长，不适合作移动电源。,磷酸型燃

42、料电池用做不间断电源,磷酸型燃料电池电站,119,直接甲醇燃料电池是PEMFC中的一类，直接使用水溶液以及蒸汽甲醇为燃料供给来源，不需通过重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。 相较于PEMFC，DMFC燃料成分危险性低，电池结构简单，成为可携式电子产品应用的主流。,直接甲醇燃料电池(DMFC),Sharp研制的高功率DMFC电池，应用于移动设备,120,2012年，工信部将在沪、晋、陕三地开展甲醇汽车试点，燃料将以高比例M85(加入85%甲醇调配)和M100(纯甲醇燃料)两大类型为主。 甲醇采取煤基生产路线，经济优势明显，出租车使用M100燃料，油费可从0.8元/公里降到0.55元/公里

43、； 甲醇是清洁替代能源，一些煤制甲醇可回收70%的CO2排放，综合排放致癌物仅为汽柴油的20%。,燃料电池收藏于发动机室,德国在HDW基尔船厂将世界上第一艘现代非核潜艇命名为U31号。新式潜艇在水下巡游数周时间而不必升出水面，而常规柴电潜艇巡游两天时间就会用尽电能。此外，燃料电池没有噪音，而且不会放出热量；这些因素有助于潜艇不会被发现。,新型燃料电池能使笔记本电脑连续运行40小时，比一般锂电池寿命高10倍。燃料电池与常规电池不同，无须充电，但需要充氢来保持正常运行。,燃料电池用于笔记本电脑,氢 能,126,氢能是人类未来的理想能源。 氢能热值高，如燃烧1kg氢可发热1.4105kJ，相当于3k

44、g汽油或4.5kg焦炭的发热量； 资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到11.1；不存在枯竭问题 干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染； 应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。 氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。,氢能开发，大势所趋,实现氢能经济的关键技术,廉价而又高效的制氢技术 安全高效的储氢技术开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急 车用氢气存储系统目标： IEA: 质量储氢容量5%; 体积容量50kg(H2)/m3 DOE : 6.5%, 62kg(H2)/m3,不同储氢方式的比较,气态储氢：能量密度低, 不太安全 液化

45、储氢：能耗高, 对储罐绝热性能要求高,固态储氢的优势：体积储氢容量高,无需高压及隔热容器, 安全性好，无爆炸危险,可得到高纯氢，提高氢的附加值,129,合金化合物储氢,在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合金被称为储氢合金。 氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，形成金属氢化物，如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。,氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；(b)八面体,a,b,130,储氢合金材料主要有：稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等。 大多数金属氢化物储氢量在1-4(质量分数)、能量密度高，所需费用明显低于

46、深冷液化储气和高压储氢，原料易得，安全可靠。储氢合金已成为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。,我国生产的稀土储氢合金,131,2009年，西博会上展出的川大宝生实业公司生产的稀土储氢合金电池,我国首条氢燃料电池公交示范线，2006年6月开始运行于北京中关村附近，票价2元。由奔驰公司生产，每辆价值180万美元。,美国通用汽车展示了新型燃料电池车“Hydrogen3”,134,核能材料,核能,核能仍是重要能源，也是未来能源希望之所在。,1、无CO2排放 2、安全性正在提高 3、资源丰富 全世界产生裂变能的原料U和Th的资源储量分别为330万吨和400600万吨，可提供600ZJ(1ZJ=10

47、21J)能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。我国铀储量不够丰富。 4、海水中有40万亿吨氘(一升海水中氘的聚变能相当于300升汽油)，称作永恒能源，但难度太大，物理证明可行，工程问题难解决(耐高温、高通量中子辐射材料)，预计50100年后实现，目前已组织国际合作。,136,核能被公认是能大规模取代常规能源的替代能源。 经过几十年的利用和发展，世界上已有441座核电机组在运行，核电站装机容量已达到3.68亿kW。 世界能源消费结构如下表所示，由此可知世界能源的消费结构也正向核能方向倾斜。,世界能源消耗结构预测,137,我国能源缺口在很大程度上依靠核能补充。 煤和石油的燃烧造成严重环境污染，我国许多城市污染物浓度达到世界前列。 在我国发展核电事业具有重要意义。,广东大亚湾核电站,浙江秦山核电站