新能源材料课件

一、概述二、新型二次电池材料三、太阳能电池材料四、燃料电池材料新能源材料1一、概述新能源材料1整体概述概述二点击此处输入相关文本内容概述一点击此处输入相关文本内容概述三点击此处输入相关文本内容2整体概述概述二概述一概述三2什么是能源？能源是指一切能量集中的含能体(如煤炭石油)和能量过程(如风和潮汐)，能到达地球表面的，都叫做地球上的能源。能源是社会经济建设和提高人民生活水平的重要物质基础之一。一、概述3什么是能源？能源是指一切能量集中的含能体(如煤炭石油)和能量能源的分类一级能源第一类能源（来自地球以外）太阳辐射能煤，石油，油页岩，天然气，草木燃料，沼气和其它由于光和作用而固定下来的太阳能。风，流水，海流，波浪海洋热能，直接太阳能宇宙射线，流星和其它星际物质带进地球大气的能量第二类能源（来自地球内部）地球热能地震，火山活动地下热水和地热蒸气（包括温泉和沸泉）热岩层原子能铀，钍，硼，氘第三类能源（来自地球和其它天体的相互作用）潮汐能二 级能 源 电能，氢能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火药等4能源的分类太煤，石油，油页岩，天然气，草木燃料，沼气和其它由21世纪的能源问题日益严重人类能源消费仍以石油、天然气、煤炭等一次性矿物能源为主。矿物燃烧导致的空气污染和温室效应严重破坏生态环境，危机人类的生存！节约能源、提高效率、使用新能源、保护环境刻不容缓！521世纪的能源问题日益严重人类能源消费仍以石油、天然气、煤炭新能源与新能源材料太阳能风能海洋能氢能生物质能地热核能人类需要新能源6新能源与新能源材料太阳能人6太阳能地球每年接受太阳的总能量为1.81018kWh，相当于全球能耗的1.2万倍，无污染，是永久性能源。但是，太阳辐射到地球的能量密度太低，只有1kW/cm2，还受气候影响。太阳能主要利用形式：1）热能直接利用：如利用镜面或反射槽将太阳光聚焦在收集器上，由中间介质吸热产生蒸汽，推动气轮机组发电；2）光伏效应：太阳能电池。7太阳能地球每年接受太阳的总能量为1.81018kWh，相当太阳能的利用 真空管集热太阳能热水器；“温室效应”8太阳能的利用真空管集热太阳能热水器；“温室效应”8太阳能电池太阳能汽车9太阳能电池太阳能汽车9太阳能美国“百万屋顶计划；德国”十万屋顶“计划；日本1600个屋顶太阳能电池系统等。人造卫星太阳能发电站的构想。10太阳能美国“百万屋顶计划；德国”十万屋顶“计划；日本160风能太阳能在地面上约2转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW，很有发展前景。风能与风速密切相关，但风车材料是关键。个2.5MW的风车，转子叶片直径要80，包括传动箱的总重达30t；风车高近百米，用材几百吨。风车叶片耍有足够的强度和抗疲劳性能，目前主要采用玻璃钢或碳纤维增强塑料，正向增强木材发展。11风能太阳能在地面上约2转变为风能，全球风力用于发电功率可海洋能潮汐的发生是地球受月球和太阳引力的影响而引起的涨潮时海水向岸边冲去，落潮时又退回海中，每天有规律地往复运动。受海岸、港湾地形的影响，海面的高度在高潮和低潮时有很大差别。可以用来推动机械装置，又可以用来发电。12海洋能潮汐的发生是地球受月球和太阳引力的影响而引起的涨潮时海氢能氢是理想能源，热值高、无污染。存在的问题：1）氢的来源，只能通过电解水，太阳能分解水，生物制氢，以及化工、冶金等流程制氢，这就需要消耗能源；2）在存储、运输及应用过程中易爆，使材料产生氢脆、氢腐蚀，以及氢渗漏等。利用方式：1）直接燃烧；2）储氢：将材料与氢结合成为氢化物，需要时加热放氢，放完后还可继续充氢。如储氢合金是高能蓄电池的负极。13氢能氢是理想能源，热值高、无污染。13氢能的利用美国加州州长施瓦辛格为新“悍马”加氢气14氢能的利用美国加州州长施瓦辛格为新“悍马”加氢气14氢能的利用宝马H2R液氢动力实验赛车15氢能的利用宝马H2R液氢动力实验赛车15生物能如人畜粪便、秸秆、杂草和不能食用的果蔬，等等废弃物，经过细菌发酵可以产生沼气(甲烷占5570左右，二氧化碳占2540左右，此外还有少量氢气、硫化氢、一氧化碳、氮和氨等)，用沼气做燃料和照明，燃烧后生成二氧化碳和水，不污染空气，不危害人类健康，并可以大大减少垃圾的数量。16生物能如人畜粪便、秸秆、杂草和不能食用的果蔬，地热能从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%。利用地热能，占地很少，无废渣、粉尘污染，用后的弃（尾）水既可综合利用，又可回注到地下储层，达到增加压力、保护储层、保护地热资源的双重目的。17地热能从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋核能铀在自然界中有三种放射性同位素：U235、U238、U234，在衰变过程中放出热量。在军事上铀主要用来制造核武器和核动力燃料。用作核电站反应堆的燃料，发电成本低。铀裂变时产生的同位素及其射线，在工农业生产和科学技术领域中有广泛的用途。例如，工业无损检测；农业培育良种，防止病虫害；医学上灭菌消毒，临床诊断及治疗等等。核聚变装置对材料要求十分苛刻，如耐中子辐射、耐高温和抗氢脆等18核能铀在自然界中有三种放射性同位素：U235、U238、能源材料广义上讲，在使用能源的过程中发挥作用的材料都是能源材料。新能源材料：1）新型二次电池材料；2）太阳电池材料；3）燃料电池材料；4）其他材料：超导材料，核材料19能源材料广义上讲，在使用能源的过程中发挥作用的材料都是能源材新能源材料的作用和目的1.把原来习惯使用的能源变成新能源；2.提高储能和能量转化效率；3.保证核反应堆的性能与安全；4.降低新能源的投资和运行成本。20新能源材料的作用和目的把原来习惯使用的能源变成新能源；20电池的分类化学电池1.一次电池：碱性电池、碳锌电池、氧化银电池、水银电池2.二次电池：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池3.燃料电池物理电池1.太阳能电池2.原子能电池二、新型二次电池材料21电池的分类化学电池二、新型二次电池材料21二次电池材料含铅、镉，污染绿色电池22二次电池材料含铅、镉，污染绿色电池22二次电池材料23二次电池材料23新型二次电池材料1.金属氢化物镍电池材料（Ni/MH）2.锂离子电池材料（LIB）24新型二次电池材料金属氢化物镍电池材料（Ni/MH）241960年代，荷兰和美国先后发现LaNi5和MgNi5具有可逆吸放氢性能；1973，将LaNi5作为二次电池负极材料研究；1984，解决了LaNi5合金在充放电过程中的容量衰减迅速的问题，实现了利用储氢合金作为负极材料制造Ni/MH电池的可能；1987年，工业化Ni/MH电池投产。Ni/MH电池材料251960年代，荷兰和美国先后发现LaNi5和MgNi5具有可Ni/MH电池材料与尚在广泛应用的Ni/Cd电池相比，Ni/MH电池有如下优点：（1）能量密度高（同尺寸1.52倍）；（2）无镉污染绿色电池；（3）可大电流快速充放电；（4）工作电压1.2V，与Ni/Cd电池有互换性。26Ni/MH电池材料与尚在广泛应用的NNi/MH电池材料27Ni/MH电池材料27Ni/MH电池结构及工作原理工作原理28Ni/MH电池结构及工作原理工作原理28Ni/MH电池材料金属氢化物镍电池材料正极材料（Ni(OH)2）；负极材料（储氢材料）；制备电极的基板材料；电介质材料；聚合物隔膜；添加剂；电池壳体；密封件；29Ni/MH电池材料金属氢化物正极材料（Ni(OH)2）；高密度球形Ni(OH)2正极材料制备方法：1）化学沉淀晶体生长法（最常用）；镍盐+碱形成微晶核，再长成球形Ni(OH)2硫酸镍+氢氧化钠+氨水+添加剂2）镍粉高压氧化催化法；3）金属镍电解沉淀法。30高密度球形Ni(OH)2正极材料制备方法：30高密度球形Ni(OH)2正极材料影响电化学性能的因素：1）化学组成：镍含量、添加剂、杂质；2）粒径及粒径分布；3）表面状态；4）微晶晶粒尺寸及缺陷。31高密度球形Ni(OH)2正极材料影响电化学性能的因素：31二次电池用储氢合金的技术要求(1)合金要有较高的储氢容量;(2)合金易活化,作成电极后电化学活性高,电极反应时的可塑性好;(3)平衡氢压适中(0.010.5MPa),对氢的阳极氧化具有良好的催化作用;(4)在氢的阳极氧化电位范围内,储氢合金具有较强的抗氧化能力及导热导电性;(5)在碱性电解液中,合金组分的化学性质相对稳定,抗腐蚀性能好;(6)合金原料成本低。32二次电池用储氢合金的技术要求(1)合金要有较高的储氢容量;各种储氢方法对比各种储氢方法对比Schlapbach&Zttel,Nature,15Nov.2001以4kg车载H2为例33各种储氢方法对比Schlapbach&Zttel,N负极材料（储氢材料）BCC(TiCrV)(Target3.5wt%)Ti3AlTiCrRuBCC(TiCrV)MgNiVAB2VolumetricDensity,kgH2/LGravimetricDensity,wt%AB5Ni33Ti40Zr27AdvancedHighCapacityAlloy0.11.00.012.03.04.05.06.0 7.0 8.01.010.00.050.5MgConventionalAlloys34负极材料（储氢材料）BCC(TiCrV)(Target3负极材料（储氢材料）35负极材料（储氢材料）35AB5型混和稀土系储氢合金AB5型储氢合金为CaCu5型六方结构，典型代表LaNi5。实用合金为LaNi5多元系，如：La0.7Nd0.3Co2.4Al0.12.5Co2.4Al0.1合金优化：降低成本、获得良好的综合性能1）A侧用廉价混和稀土Mm（La、Ce、Pr、Nd）替代单一稀土La；2）B侧用Co、Mn、Al、Cu、Fe、Ti等替代Ni。优点：最早开发、技术最成熟、用量最大。缺点：储氢量较小，成本高。36AB5型混和稀土系储氢合金AB5型储氢合金为CaCu5型六方AB2型Laves相储氢合金，代表合金ZrMn2，新一代高容量负极材料！多元合金化：Ti-Zr-V-Cr-Ni优点：储氢量高和循环寿命长。缺点：初期活化困难、高倍率放电性差，原材料价格高。AB2型Laves相储氢合金37AB2型Laves相储氢合金，代表合金ZrMn2，新一代高容Mg基储氢合金Mg2Ni为代表。以溅射和机械合金化合成非晶态薄膜合金，表面改性，提高催化活性，改善吸放氢热力学和动力学，改善吸放氢性能。是目前研究的热点材料。优点：储氢量高、资源丰富、价格低廉。缺点：Mg在碱中易腐蚀，导致电极容量衰退迅速，循环寿命太短。38Mg基储氢合金Mg2Ni为代表。38V基固溶体型储氢合金V基固溶体（V-Ti,V-Ti-Cr）合金吸氢后可以生成VH和VH2两种氢化物。优点：储氢量极高；缺点：电极活性差、循环寿命短。39V基固溶体型储氢合金V基固溶体（V-Ti,V-Ti-Cr）单壁碳纳米管储氢Hydrogenstoragecapacityaround4wt%atambienttemperatureandmoderatepressureHigherreportedstoragecapacitiesof8-10wt.%havebeendifficulttoreproduceLowcosthighvolumefabricationprocessesarenotyetavailableforcarbonnanotubesC.Liu,Y.Y.Fan,M.Liu,H.T.Cong,H.M.Cheng,and M.S.Dresselhaus,“Hydrogen Storage in Single-Walled Carbon Nanotubes at Room Temperature”,Science,286,1127-1129(1999).40单壁碳纳米管储氢HydrogenstoragecapacBoronNitride纳米管储氢R.Ma,Y.Bando,H.Zhu,T.Sato,C.Xu,and D.Wu,“Hydrogen Uptake in Boron Nitride Nanotubes at Room Temperature”,J.Am.Chem.Soc.,124,7672-7673(2002).41BoronNitride纳米管储氢R.Ma,Y.B二次电池材料含铅、镉，污染绿色电池42二次电池材料含铅、镉，污染绿色电池42二、新型二次电池材料1.金属氢化物镍电池材料（Ni/MH）2.锂离子电池材料（LIB）43二、新型二次电池材料金属氢化物镍电池材料（Ni/MH）431.Ni/MH电池结构及工作原理工作原理441.Ni/MH电池结构及工作原理工作原理44各类锂电池产品2.锂离子电池结构及工作原理45各类锂电池产品2.锂离子电池结构及工作原理45LIB工作原理锂离子电池是由两个能可逆的嵌入与脱嵌的锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。46LIB工作原理锂离子电池是由两个能可逆的嵌入与LIB电池涉及的材料LIB电池材料正极材料；负极材料；电解质材料；聚合物隔膜；正负极导电添加剂；正负极活性物质；电池壳；密封件；防爆片47LIB电池涉及的材料LIB电池材料正极材料；47LIB的负极材料负极材料容量（mAh/g）年代金属锂34001965锂合金7901971碳材料（石墨）3721980氧化物7001995纳米合金2000199848LIB的负极材料负极材料容量（mAh/g）年代金属锂3400LIB电池负极材料1、金属锂优点：比容量最高,3400mAh/g;缺点：1)充电后在负极表面新沉积的锂缺乏钝化膜的保护，部分锂将与电解质反应并被反应物包覆，与电极失去电接触。2)充电时在负极表面形成枝晶，形成短路，毁坏电池，甚至爆炸。49LIB电池负极材料1、金属锂49LIB电池负极材料1、金属锂解决金属锂负极不稳定的方法：1）寻找新的负极材料；2）采用聚合物电解质避免Li与有机溶剂反应；3）改进有机电解液配方。50LIB电池负极材料1、金属锂50LIB电池负极材料2、锂合金各种常见锂合金材料：LiAl,LiPd,LiSn,LiBi,LiIn,LiAlFe,LiAlB,LiSi等。优点：避免了枝晶生长，提高了安全性；缺点：循环过程中，体积变化大，容易粉化失效。改进方法：采用复合体系；合金纳米化51LIB电池负极材料2、锂合金51LIB电池负极材料3、碳负极材料碳材料：石墨、碳纤维、石油焦、无序碳和有机裂解碳。已经商品化！优点：1）充电时不会形成枝晶，避免了短路，提高了使用安全性和寿命；2）充放电可逆性好、容量大。3）电极电位与锂接近。52LIB电池负极材料3、碳负极材料52LIB电池负极材料3、碳负极材料锂嵌入石墨中形成施主型嵌入化合物（给石墨提供电子）：LiC6。充放电机理为锂离子可逆嵌入。53LIB电池负极材料3、碳负极材料534、氧化物材料如：1）含Li的氧化物：LiWO2,Li6Fe2O5,LiNb2O5;具有尖晶石结构的Li4Ti5O12：零应变材料3Li+Li4Ti5O12Li7Ti5O12LIB电池负极材料544、氧化物材料LIB电池负极材料54LIB电池负极材料5、其他负极材料如：Li3-xMxN(M为Co、Ni、Mn、Fe)Mg2Ge55LIB电池负极材料5、其他负极材料55LIB电池负极材料对LIB电池负极材料的要求：（1）在锂嵌入过程中电极电位变化小；（2）有较高的比容量；（3）有较高的充放电效率；（4）在电极材料内部和表面，锂离子具有较高的扩散速率；（5）具有较高的结构稳定性、化学稳定性和热稳定性（6）价格低廉、容易制备56LIB电池负极材料对LIB电池负极材料的要求：56LIB电池正极材料LIB电池正极材料不仅作为电极材料参加电化学反应，而且可作为离子源。大多为含锂的过渡族金属化合物。LIB电池正极材料及其放电电位57LIB电池正极材料LIB电池正极材料不仅作为电极材LIB电池正极材料三种主要的LIB电池正极材料LiCoO2,LiNiO2和LiMn2O4的性能对比材料理论比容量（mAh/g)实际比容量（mAh/g)密度(g/cm3)价格比特点LiCoO22751301405.003性能稳定，体积比能量高，放电平台稳定LiNiO22741701804.782高比容量，热稳定性较差，价格较低LiMn2O41481001204.281低成本，比容量低,高温循环和存放性差。安全性好。58LIB电池正极材料三种主要的LIB电池正极材料LiCoO2,LIB电池正极材料1、LiCoO2正极材料为NaFeO2六方晶型结构，为R3m空间群。已经商品化。优点：工作电压高达4.5V，容量高，可循环性好，寿命长，可低温合成。缺点：成本高59LIB电池正极材料1、LiCoO2正极材料59LIB电池正极材料LiCoO2正极材料的制备方法1)固相反应(Li2CO3+2CoCO3+0.5O22LiCoO2+3CO2)2)水热法3)共沉淀法4)溶胶凝胶法5)喷雾干燥法6)EDTA络合法60LIB电池正极材料LiCoO2正极材料的制备方法60LiCoO2正极材料喷雾干燥法制备的LiCoO2超细粉纳米级LiCoO2粉末61LiCoO2正极材料LIB电池正极材料2、LiNiO2正极材料结构与LiCoO2类似。优点：价格低，重量比容量大缺点：不易合成。在应用中分解温度低，电池易燃、易爆。62LIB电池正极材料2、LiNiO2正极材料62LIB电池正极材料3、LiMn2O4正极材料尖晶石结构，Fd3m优点：价格低廉，无毒，原材料丰富缺点：不易合成，比容量低,高温循环和存放性差。63LIB电池正极材料3、LiMn2O4正极材料63LIB电池正极材料4、复合正极材料（1）LiNixCo1-xO2复合氧化物；优点：成本低、热力学稳定性好、循环稳定性好、容易制备、容量较高正逐步实现商品化和实用化。（2）改性LiMyMn2-yO4复合正极材料(M=Co,Cr,Ni,Al)64LIB电池正极材料4、复合正极材料64LIB电池正极材料5、有机硫化物正极材料65LIB电池正极材料5、有机硫化物正极材料65LIB电池正极材料6、导电高分子正极材料碳酸丙稀脂（PC）66LIB电池正极材料6、导电高分子正极材料碳酸丙稀脂（PC）6LIB电池电解质材料1、非水有机溶剂电解质含锂无机盐；有机溶剂：四氢呋喃（THF）、碳酸丙稀脂（PC）、碳酸乙稀脂（EC）、二甲基碳酸脂（DMC）含锂无机盐：LiClO4,LiBF4,LiPF62、聚合物电解质：聚氧化乙烯（PEO）3、无机固体电解质：Li4SO4,Li3N67LIB电池电解质材料1、非水有机溶剂电解质含锂无机盐；67锂离子电池笔记本电脑及其锂离子电池68锂离子电池笔记本电脑及其锂离子电池68锂离子电池动力汽车即将在北京公交系统上投入使用的锰酸锂电池动力汽车2005年5月通过验收69锂离子电池动力汽车即将在北京公交系统上投入使用的锰酸锂电池动锂离子电池动力汽车 三菱汽车开发的电动汽车,2006,2006年将进行公路试验锂离子电池组70锂离子电池动力汽车三、太阳能电池材料1、无机太阳电池（光伏效应半导体）1）晶体硅太阳能电池材料2）非晶硅太阳能电池材料3）II-V族多晶薄膜太阳能电池材料4）III-VI族化合物太阳能电池材料2、有机太阳电池3、光化学太阳电池71三、太阳能电池材料1、无机太阳电池（光伏效应半导体）71太阳能电池材料电池种类转换效率（%）单晶硅24多晶硅19硅多晶薄膜12非晶硅10GaAs30CdS/CdTe15硒镓铟铜1472太阳能电池材料电池种类转换效率（%）单晶硅24多晶太阳能电池材料空间电源系统的面积随太阳能电池转换效率的提高而不断减小DJ:GaInP/GaAs/Ge73太阳能电池材料空间电源系统的面积随太阳能电池转换效率的提高而太阳能电池材料非晶硅电池板太阳电池片有机太阳电池(并五苯),74太阳能电池材料非晶硅电池板太阳电池片有机太阳电池(并五苯),四、燃料电池材料燃料电池是一种在等温下直接将储存的燃料和氧化剂中的化学能高效（50%70%）而与环境友好地转化为电能的发电装置质子交换膜燃料电池材料熔融碳酸盐燃料电池材料固体氧化物燃料电池材料75四、燃料电池材料燃料电池是一种在等温下直接将储存的燃料和氧化燃料电池基本工作原理76燃料电池基本工作原理767777燃料电池材料质子交换膜燃料电池材料(AIP)质子交换膜燃料电池工作原理电解质的一种-“离子交换膜 78燃料电池材料质子交换膜燃料电池材料(AIP)质子交换膜燃料电问题提问与解答问答HERE COMES THE QUESTION AND ANSWER SESSION79问题提问与解答问答HERECOMESTHEQUESTI结束语CONCLUSION感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边，来自于您的声音是对我们最大的鼓励和帮助，大家在填写评估表的同时，也预祝各位步步高升，真心期待着再次相会！80结束语CONCLUSION感谢参与本课程，也感激大家对我感谢您的观看与聆听本课件下载后可根据实际情况进行调整81感谢您的观看与聆听本课件下载后可根据实际情况进行调整81