新能源材料简介.

储氢材料
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• 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1.4×105kJ，相当于3kg
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％； 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
• 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
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• 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。
镍氢充电电池
Li离子充电电池
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• 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
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Ni/MH镍氢二次电池
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•槽式太阳能
•蝶式太阳能
• 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
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• 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。
常用高压氢气瓶
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活性炭储氢
• 活性炭比表面积可达2000m2/g 以上，低温加压可吸附储氢。 活性炭原料易得，吸附储氢和 放氢操作都比较简单。 • 富勒烯 (C60) 和碳纳米管 (CNT) 对氢气具有较强的吸附作用。 单层碳纳米管的吸氢量比活性 炭高，H2的吸附量可达5％-10 ％(质量分数)，有望成为新一 代储氢材料。
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LIB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/来自百度文库H，LIB及Ni/Cd电池性能比较 技术参数 工作电压/V
质量比能量/(Wh/kg) 体积比能量/(Wh/L) 冲放电寿命/次
新能源材料
New Energy Materials
张景璋 材料加工工程
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主要分类
太阳能电池材料
储氢材料 新型二次电池材料 燃料电池材料 核能材料
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• 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础 ,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。
储氢量大，能量密度高；
吸氢和放氢速度快；
氢化物生成热小； 分解压适中： 容易活化； 化学稳定性好；
在储运中安全、无害；
原料来源广、成本价廉。
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新型二次电池材料
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• 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。
煤炭开采
海上石油开采平台
严重的生态破坏
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• 生态环境严重破坏：
1952年12月，伦敦烟雾；
酸雨； 河流干涸；
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• 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。
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• Ni/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小时充电后时速可达到150公里
• 仅2000年，日本就销售了4亿多只Li电池。
移动电话Li电池
数码相机Li电池
笔记本Li电池
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谢谢
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富勒烯C60
碳纳迷管
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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。
a b
Hydrogen on Tetrahedral Sites
高原用的GdTe太阳电池
太空站上的GaAs太阳电池
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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
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• 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%。
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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
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表面凹凸不平的纳米粒子，大幅提高 薄膜的比表面积。
Xi Chen, Baohua Jia, et al, Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles, 26 nano letters, doi.org/10.1021/nl203463z| Nano Lett
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• 我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用 率不高，能源结构也不合理。
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% 。
Hydrogen on Octahedral Sites
氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；(b)八面体
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• 储氢合金可储存比其体积大 1000-1300 倍的氢，而 且合金中存储的氢结合力较弱，当金属氢化物受热 时又可释放氢气。
Hydrogen storage capacity (wt%)
0 1 2 3 4 5
LaNi5H6
1.4wt%
per weight
TiFeH1.9
1.8wt%
Mg2NiH4
3.6wt%
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
0 1 2 3 4
4.2wt%
5
Hydrogen storage capacity (wt%)
储氢合金的储氢量比较
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• 储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：
世博中国馆
世博主题馆
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• 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1.2万个太阳能电池板，
翼展长度大约64米。
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• 新能源包括
• 太阳能 • 生物质能 • 核能 • 风能
太阳能 核能
风能
• 地热
• 海洋能
• 氢能
潮汐能 地热
氢能
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• 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：
• 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
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； 安全卫生，对环境无污染等。
人造卫星上的太阳能电池
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• 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
Ni/Cd 1.2
30-50 150 500
Ni/MH 1.2
50-70 200 500
LIB 3.7
100-150 270 1000
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• LIB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％。
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。
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• 氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。
• 氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一 般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到 钢瓶重量的1/100，且有爆炸危险，很不方便。
• 为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储 氢材料，主要包括活性炭、无机化合物、有机化合 物以及合金化合物四大类储氢材料。
• 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料
• -------------
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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。
太阳能热水器
内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站
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太阳能电池材料
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• 太阳能在未来能源结构中占有重要地位
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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
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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、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。
太阳能电池
光伏效应示意图
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•P型半导体
•N型半导体
• 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
first solar公司共建2000兆瓦 太阳能光伏发电厂
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• 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。