第七章 新能源材料.ppt

新 材 料 概 论 第七章 新能源材料 能源应用情况概述 新型二次电池材料 燃料电池材料 能源分类 7.1 能源应用现状 (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。 (2)能源结构发生变化。 表2 世界一次商品能源构成 (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。（1992世界能源大会） (5) 矿物燃烧造成环境污染。（SO2、CO、CO2、NO） （植被、土壤；气候；健康） 图2 世界CO2排放量随时间的变化  (6) 新能源的开发不断取得进展 太阳能、生物能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能。 新能源的开发一方面靠利用新的原理来发展新的能源系统，另一方面靠材料的开发与应用，使新系统得以实现，并提高效率，降低成本。 (7) 新材料的几个作用： 新材料把原来习用已久的能源变为新能源。 如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温。 一些新材料可提高储能和能力转化效果 如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。 新材料决定着核反应堆的性能与安全性。 材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着投资与运行成本。 如：太阳电池材料决定着光电转换效率； 燃料电池的电极材料决定着电池的质量和 寿命； 材料的制备工艺又决定着能源的成本。 (8) 能源材料的概念及分类 广义上，凡能源工业及能源利用技术所需的材料都可称为能源材料。 新能源材料－如增殖堆用核材料、太阳能电池材料 节能材料－如非晶态金属磁性，超导材料。 储能材料－如贮氢（吸氢）材料，高比能电池材料 7.2 新型二次电池材料 一次电池：充、放电过程不可逆。 二次电池： 充、放电过程是可逆的； 放电时通过化学反应可以产生电能； 充电时通过反向电流将电能以化学能形式重新储存起来。 新型的二次电池： 铅酸电池和镉镍电池是早已广泛应用的二次电池，但是比能量都很低；另外，铅和镉都是有毒金属，对环境的污染问题严重。 新型的二次电池性能优良，可循环使用，对环境的污染较小，避免了上述弊病。 表5 Ni/Cd、Ni/MH、LIB电池的主要性能对比 新型二次电池发展的推动力 ： 天然能源（石油、煤）在不断消耗。 环境保护的呼声愈来愈高。（无毒、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（如卫星用电）和现代化武器（军事通信设备）对轻质高能二次电池的需求迫切。 7.2.2 Ni／MH二次电池 产生： 20世纪60年代末，发现储氢合金。 1974年开始储氢合金作为二次电池的负极材料的研究。 1984年解决了合金冲放电过程中容量迅速衰减的问题。 1987年试生产。 1）工作原理 可以看出： 利用氢的吸收和释放的电化学可逆反应； 正电极采用氧化镍物质，负电极采用吸收氢的合金； 电解质由水溶液组成，其主要成分为氢氧化钾。KOH电解质不仅起离子迁移电荷作用，而且参与了电极反应。 2） 电极材料 正极材料—球形Ni(OH)2 正极材料 Ni(OH)2是涂覆式Ni／MH电池正极使用的活性物质。 电极充电时Ni(OH)2转变成NiOOH，Ni2+被氧化成Ni3+ 放电时NiOOH逆变成Ni(OH)2， Ni3+还原成Ni2+ 。 负极材料－储氢合金(MH) 用于Ni／MH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件： (a) 电化学储氢容量高； (b) 在热碱电解质溶液中合金组分的化学性质