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2、級,第五級,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,新能源材料技術,主講：朱 繼 平,E-mail:,合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院,1,新能源材料技術1,緒 論,新能源與新能源材料,材料的作用,新能源材料的任務及面臨的課題,一些新能源材料的主要進展,2,緒 論2,1 新能源與新能源
3、材料,新能源的出現與發(fā)展，一方面是能源技術本身發(fā)展的結果，另一方面也是由于這些能源有可能解決資源與環(huán)境問題而受到支持與推動。太陽能、生物質能、核能(新型反應堆)、風能、地熱、海洋能等一次能源和二次能源中的氫能等被認為是新能源，其中氫能、太陽能、核能是有希望在2l世紀得到廣泛應用的能源。新能源的發(fā)展一方面靠利用新的原理(如聚變核反應、光伏效應等)來發(fā)展新的能源系統(tǒng)，同時還必須靠新材料的開發(fā)與應用，才能使新的系統(tǒng)得以實現，并進一步地提高效率、降低成本。,3,1 新能源與新能源材料 3,2 材料的作用,(1)新材料把原來習用已久的能源變成新能源。例如從古代起，人類就使用太陽能取暖、烘干等，現在利用半
4、導體材料把太陽能有效地直接轉變?yōu)殡娔?。再有，過去人類利用氫氣燃燒來獲得高溫，現在靠燃料電池中的觸媒、電解質，使氫與氧反應而直接產生電能，并有望在電動汽車中得到應用。,(2)一些新材料可提高儲能和能量轉化效果。如儲氫合金可以改善氫的存儲條件，并使化學能轉化為電能，金屬氫化物鎳電池、鋰離子電池等都是靠電極材料的儲能效果和能量轉化功能而發(fā)展起來的新型二次電池。,4,2 材料的作用 (1)新材料把原來習用已久,(3)新材料決定著新能源的性能與安全性。新型核反應堆需要新型的耐腐蝕、耐輻照材料。這些材料的組成與可靠性對反應堆的安全運行和環(huán)境污染起決定性作用。,(4)材料的組成、結構、制作與加工工藝決定著新
5、能源的投資與運行成本。例如，太陽電池所用的材料決定著光電轉換效率，燃料電池及蓄電池的電極材料及電解質的質量決定著電池的性能與壽命，而這些材料的制備工藝與設備又決定著能源的成本。因此，這些因素是決定該種新能源能否得到大規(guī)模應用的關鍵。,5,(3)新材料決定著新能源的性能與安全性。新型核反應堆需要,3 新能源材料的任務及面臨的課題,為了發(fā)揮材料的作用，新能源材料面臨著艱巨的任務。作為材料科學與工程的重要組成部分，新能源材料的主要研究內容同樣也是材料的組成與結構、制備與加工工藝、材料的性質、材料的使用效能以及它們四者的關系。結合新能源材料的特點，新能源材料研究開發(fā)的重點有以下幾方面,:,6,3 新能
6、源材料的任務及面臨的課題,1)研究新材料、新結構、新效應以提高能量的利用效率與轉換效率,例如，研究不同的電解質與催化劑以提高燃料電池的轉換效率，研究不同的半導體材料及各種結構(包括異質結、量子阱)以提高大陽電池的效率、壽命與耐輻照性能等。,7,1)研究新材料、新結構、新效應以提高能量,2)資源的合理利用,新能源的大量應用必然涉及到新材料所需原料的資源問題。例如，太陽電池若能部分地取代常規(guī)發(fā)電，所需的半導體材料要在百萬噸以上，對一些元素(如鎵、銦等)而言是無法滿足的。因此一方面盡量利用豐度高的元素，如硅等；另一方面實現薄膜化以減少材料的用量。又例如，燃料電池要使用鉑作觸媒，其取代或節(jié)約是大量應用
7、中必須解決的課題。當新能源發(fā)展到一定規(guī)模時，還必須考慮廢料中有價元素的回收工藝與循環(huán)使用。,8,2)資源的合理利用8,3)安全與環(huán)境保護,這是新能源能否大規(guī)模應用的關鍵。例如，鋰電池具有優(yōu)良的性能，但由于鋰二次電池在應用中出現過因短路造成的燒傷事件，以及金屬鋰因性質活潑而易于著火燃燒，因而影響了應用。為此，研究出用碳素體等作負極載體的鋰離子電池，使上述問題得以避免，現已成為發(fā)展速度最快的二次電池。另外有些新能源材料在生產過程中也會產生三廢而對環(huán)境造成污染；還有服務期滿后的廢棄物，如核能廢棄物，會對環(huán)境造成污染。這些都是新能源材料科學與工程必須解決的問題。,9,3)安全與環(huán)境保護9,4)材料規(guī)模
8、生產的制作與加工工藝,在新能源的研究開發(fā)階段，材料組成與結構的優(yōu)化是研究的重點，而材料的制作和加工常使用現成的工藝與設備。到了工程化的階段，材料的制作和加工工藝與設備就成為關鍵的因素。在許多情況下，需要開發(fā)針對新能源材料的專用工藝與設備以滿足材料產業(yè)化的要求。這些情況包括：大的處理量；高的成品率；高的勞動生產率；材料及部件的質量參數的一致性、可靠性；環(huán)保及勞動防護；低成本。,10,4)材料規(guī)模生產的制作與加工工藝10,5)延長材料的使用壽命,現代的發(fā)電技術、內燃機技術是眾多科學家與工程師在幾十年到上百年間的研究開發(fā)成果。用新能源及其裝置對這些技術進行取代所遇到的最大問題是成本有無競爭性。從材料
9、的角度考慮，要降低成本，一方面要靠從上述各研究開發(fā)要點方面進行努力；另一方面還要靠延長材料的使用壽命。這方面的潛力是很大的。這要從解決材料性能退化的原理著手，采取相應措施，包括選擇材料的合理組成或結構、材料的表面改性等；并要選擇合理的使用條件，如降低燃料中的有害雜質含量以提高燃料電池催化劑的壽命就是一個明顯的例子。,11,5)延長材料的使用壽命11,4,一些新能源材料的主要進展,4.1 鋰離子二次電池材料,鋰離子電池的發(fā)展方向為：,發(fā)展電動汽車用大容量電池；提高小型電池的性能；加速聚合物電池的開發(fā)以實現電池的薄型化。這些都與所用材料的發(fā)展密切相關，特別是與正極材料、負極材料和電解質材料的發(fā)展有
10、關。,12,4 一些新能源材料的主要進展4.1 鋰離子二次電池材料12,4.1.1碳負極材料,最早使用金屬鋰作為負極，但由于此種電池在使用中曾突發(fā)短路、使用戶燒傷，因此被迫停產并收回出售的電池，這是由于金屬鋰在充放電過程中形成樹枝狀沉積而造成的?，F在實用化的電池是用碳負極材料，靠鋰離子的嵌入和脫嵌實現充放電的，從而避免了上述不安全問題。通過堆不同碳素材料在電池中的行為研究，是碳負極材料得到優(yōu)化。,13,4.1.1碳負極材料 最早使用金屬鋰作為,4.1.2正極材料,目前使用的正極材料為LiCoO2。對此化合物的晶體結構、化學組成、粉末粒度以及粒度分布等因素對電池性能的影響進行了深入的研究。為了降
11、低成本，提高電池的性能，還研究了一些金屬取代金屬鈷。目前研究較多的是LiMn,2,O,4,和LiFePO,4,，還在研究雙離子傳遞型聚合物正極材料。,14,4.1.2正極材料 目前使用的正極材料為,4.1.3 電解質材料,研究集中在非水溶劑電解質方面，這樣可以得到高的電池電壓。重點是針對穩(wěn)定的正負極材料調整電解質溶液的組成，以優(yōu)化電池的綜合性能。還發(fā)展了在電解液中添加SO,2,和CO,2,等方法以改善碳材料的初始充放電效率。三元或多元混合溶劑的電解質可以提高鋰離子電池的低溫性能。,15,4.1.3 電解質材料 研究集中在非水溶,4.2 太陽能電池材料,太陽能為人類最主要的可再生能源。但是這一巨
12、大的能量卻分散到整個地球表面，單位面積接受的能量強度不高，所以制約太陽能電池發(fā)展的因素有：,接受面積的問題；,能量按照時間分布不均的問題；,電池材料的資源問題；,成本問題。綜合上述因素，太陽能電池材料的發(fā)展主要圍繞著提高轉換效率、節(jié)約材料成本等問題進行研究。主要有以下進展。,16,4.2 太陽能電池材料 太陽能為人類最主,1,）發(fā)展新工藝、提高轉換效率,材料工藝包括材料提純工藝、晶體生長工藝、晶片表面處理工藝、薄膜制備工藝、異質結生長工藝、量子阱制備工藝等。通過以上的研究進展，使得太陽能電池的轉換效率不斷提高。單晶硅電池轉換效率已經達到,23.7%,，多晶硅電池已達,18.6%,。,2,）發(fā)展
13、薄膜電池、節(jié)約材料消耗,目前大量應用的是晶體硅電池。此種材料屬間接禁帶結構，需較大的厚度才能充分地吸收太陽能。而薄膜電池如砷化鎵電池、碲化鎘電池、非晶硅電池，則只需,1m2m,的有源層厚度。而多晶硅薄膜電池的有源層厚度又降到,50m，,同時使用襯底剝離技術，使襯底可以多次使用。,17,1）發(fā)展新工藝、提高轉換效率,3）材料大規(guī)模的加工技術,提高太陽電池成本競爭力的途徑之一是擴大生產規(guī)模。其中材料制備與加工技術是關鍵的因素。為此研究開發(fā)大生產的工藝與設備。目前生產的太陽電池的70%-80%是晶體硅太陽能電池，它們使用的原料為生產半導體器件用晶體的頭尾料及等外品。,4）與建筑相結合,解決太陽能電池
14、占地面積問題的方向之一是與建筑相結合。除了建筑物的屋頂可架設太陽電池板之外。將太陽電池做在建筑材料上是值得重視的。,18,3）材料大規(guī)模的加工技術18,4.3,燃料電池材料,研究開發(fā)燃料電池的目的是使其成為汽車、航天器、潛艇的動力源或組成區(qū)域供電?，F針對上述不同用途開發(fā)的燃料電池有堿性氫氧電池（,AFC),、磷酸型燃料電池（,PAFC,）、質子交換膜型燃料電池（,PEMFC),、熔融碳酸鹽型燃料電池（,MCFC,）和固體氧化物燃料電池（,SOFC,）。燃料電池材料的發(fā)展主要圍繞提高燃料發(fā)電的效率、延長電池的工作壽命、降低發(fā)電成本等方面。,19,4.3燃料電池材料 研究開發(fā)燃料電池的目,4.4核
15、能材料,核反應堆可分為裂變反應堆和聚變反應堆兩大類。裂變反應堆已經大量使用，對其材料的研究除了優(yōu)化商品堆的性能外，主要是為了滿足新型堆的需要。聚變堆離實際的應用還有一段相當的距離。目前核能材料的研究發(fā)展重點有以下幾方面：,1）包殼材料,包殼材料的主要功能是在裂變堆中將燃料和冷卻劑分開。對它的技術要求是應具備低的中子吸收截面、良好的抗輻射性能、與燃料相容性好、滿意的耐蝕性、足夠的力學性能。已使用的有鋁合金、鋯合金、鎂合金、不銹鋼等。研究的重點是快中子增殖堆。,20,4.4核能材料 核反應堆可分為裂變反應,2）核燃料,核燃料一方面要在核素組成方面滿足核反應的要求，另一方面應具備縫合反應堆要求的具體
16、形狀。高溫氣冷堆的溫度很高，要求使用包覆型顆粒，即在氧化物核燃料小球的表面有熱裂解碳或碳化物包覆。,3）聚變堆的第一壁材料,它是聚變堆中技術要求最苛刻的材料。第一壁是托克馬克型聚變堆包容等離子區(qū)和真空區(qū)的部件。它要經受14MeV中子及其他高能帶電粒子的轟擊，其輻照效應比裂變堆所經受的要強的多。,4）核廢料的處理,在反應堆的運行和退役階段均產生不同放射性的核廢料。因此有必要進行處理。,21,2）核燃料21,主要參考文獻,1,雷永泉,萬群,石永康,.,新能源材料,M.,天津,:,天 津大學出版,社,2000.,2,李建保,李敬峰,.,新能源材料及其應用技術,M.,北京,:,清華大學,出版社,200,5,.,3,童忠良,張淑謙,楊京京,.,新能源材料與應用,M.,北京,:,國防工業(yè)出版社,200,8,.,4,黃可龍,王兆翔,劉素琴,.,鋰離子電池原理與關鍵 技術,M.,北京,:,化學工業(yè)出版社,2007.,5,楊德仁,.,太陽電池材料,M.,化學工業(yè)出版社，,2007.,22,主要參考文獻 1 雷永泉,萬群,石永康.新能源材料 M,
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