新能源材料概论课件

新能源及其新材料 新能源及其新材料新能源及其新材料 1目录目录能源现状能源现状新能源及其发展现状新能源及其发展现状目录能源现状新能源及其发展现状目录能源现状新能源及其发展现状2能源分类能源分类一次能源二次能源(经转换经转换或提炼或提炼）可再生能源非再生能源风能，水能，太阳能，地热，海洋能，生物能化石燃料（煤，石油，天然气）铀电能，氢能，汽油，柴油等能源分类能源分类一次能源二次能源能源分类能源分类一次能源二次能源(经转换或提炼）可再生能源非经转换或提炼）可再生能源非3(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。能源应用现状表1世界一次能源消费的增长率(1)(1)人类社会对能源的需求不断增加。能源应用现状表人类社会对能源的需求不断增加。能源应用现状表114(2)能源结构发生变化。表2世界一次商品能源构成(2)(2)能源结构发生变化。表能源结构发生变化。表22世界一次商品能源构成世界一次商品能源构成5(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。(3)(3)能源应用形态有所改变。能源应用形态有所改变。小型的小型的6(4)矿物能源面临枯竭。（19921992世界能源大会）世界能源大会）石油/年天然气/年煤/年铀/年世界495726260中国236110230(4)(4)矿物能源面临枯竭。（矿物能源面临枯竭。（19921992世界能源大会）石油世界能源大会）石油/年天年天7(5)矿物燃烧造成环境污染。（SOSO2 2、COCO、COCO2 2、NONO）（植被、土壤；气候；健康）（植被、土壤；气候；健康）图2世界CO2排放量随时间的变化(5)(5)矿物燃烧造成环境污染。（矿物燃烧造成环境污染。（SO2SO2、CO CO、CO2CO2、NO NO）8(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。(6)(6)新能源的开发不断取得进展新能源的开发不断取得进展9(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。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。化功能而发展起来的新型二次电池。(7)(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材料的几个作用：新材料把原来习用已久的能源变为10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；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燃料电池的电极材料决定着电池的质量和寿命；寿命；材料的制备工艺又决定着能源的成本。材料的制备工艺又决定着能源的成本。新材料决定着核反应堆的性能与安全性。新材料决定着核反应堆的性能与安全性。11(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(8)(8)能源材料的概念及分类能源材料的概念及分类广义上，凡广义上，凡12 能源现状与发展问题能源现状与发展问题1.1.1.1.可再生清洁能源如风能、太可再生清洁能源如风能、太可再生清洁能源如风能、太可再生清洁能源如风能、太阳能等所占比例不到阳能等所占比例不到阳能等所占比例不到阳能等所占比例不到3%3%3%3%2.2.2.2.石油、煤和天然气占初级石油、煤和天然气占初级石油、煤和天然气占初级石油、煤和天然气占初级 能源消耗的能源消耗的能源消耗的能源消耗的85%85%85%85%左右左右左右左右3.3.3.3.其余主要是火电和水电其余主要是火电和水电其余主要是火电和水电其余主要是火电和水电据可靠资料报道，到据可靠资料报道，到据可靠资料报道，到据可靠资料报道，到2020202020202020年，年，年，年，我国能源的消费比例除了利用我国能源的消费比例除了利用我国能源的消费比例除了利用我国能源的消费比例除了利用石油、煤和天然气以及水电外，石油、煤和天然气以及水电外，石油、煤和天然气以及水电外，石油、煤和天然气以及水电外，风能的消费比例要占到风能的消费比例要占到风能的消费比例要占到风能的消费比例要占到10%10%10%10%，核能的消费要占到核能的消费要占到核能的消费要占到核能的消费要占到3%3%3%3%。各种能源的消费比例图各种能源的消费比例图各种能源的消费比例图各种能源的消费比例图 能源现状与发展问题能源现状与发展问题1.1.可再生清洁能源如风能、太阳能等所占可再生清洁能源如风能、太阳能等所占13我国石油产品需求预测我国石油产品需求预测我国石油产品需求预测我国石油产品需求预测 2010201020102010年，万吨年，万吨年，万吨年，万吨2020202020202020年，万吨年，万吨年，万吨年，万吨汽、煤、柴油汽、煤、柴油汽、煤、柴油汽、煤、柴油17750-1890017750-1890017750-1890017750-1890021700-2880021700-2880021700-2880021700-28800润滑油润滑油润滑油润滑油 520-560 520-560 520-560 520-560 560-770 560-770 560-770 560-770燃料油燃料油燃料油燃料油 2900 2900 2900 2900 2700 2700 2700 2700化工用油化工用油化工用油化工用油 4700-5600 4700-5600 4700-5600 4700-5600 7200-8700 7200-8700 7200-8700 7200-8700其它其它其它其它 5400-5500 5400-5500 5400-5500 5400-5500 6600-6700 6600-6700 6600-6700 6600-6700石油产品合计石油产品合计石油产品合计石油产品合计31300-3350031300-3350031300-3350031300-3350038800-4770038800-4770038800-4770038800-47700国内石油需求国内石油需求国内石油需求国内石油需求3.3-3.53.3-3.53.3-3.53.3-3.5亿吨亿吨亿吨亿吨4.1-5.04.1-5.04.1-5.04.1-5.0亿吨亿吨亿吨亿吨其它：其它：其它：其它：LPGLPGLPGLPG、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等2004200420042004年我国汽柴油消耗分别达年我国汽柴油消耗分别达年我国汽柴油消耗分别达年我国汽柴油消耗分别达4706470647064706万吨和万吨和万吨和万吨和10292102921029210292万吨万吨万吨万吨(合计合计合计合计1.51.51.51.5亿吨亿吨亿吨亿吨)我国石油产品需求预测我国石油产品需求预测20102010年，万吨年，万吨20202020年，万吨汽、煤年，万吨汽、煤14无穷大无穷大无穷大无穷大约约约约4545年年年年约约约约1515约约约约6161年年年年约约约约3030约约约约230230年年年年约约约约8181约约约约7171年年年年约约约约5050我国各种能源探明储量（以储采比表示）与世界比较我国各种能源探明储量（以储采比表示）与世界比较我国各种能源探明储量（以储采比表示）与世界比较我国各种能源探明储量（以储采比表示）与世界比较 摘自摘自摘自摘自“光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑战光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑战光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑战光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑战”论文集论文集论文集论文集 20042004年年年年4 4月月月月8 8日，日，日，日，北京北京北京北京 P8P80 0 0 050505050100100100100150150150150200200200200250250250250300300300300太阳能太阳能太阳能太阳能石油石油石油石油天然气天然气天然气天然气煤煤煤煤铀铀铀铀世界世界世界世界中国中国中国中国无穷大约无穷大约4545年约年约15 15约约6161年约年约3030约约230 230年约年约8181约约7171年年15二氧化碳是化石能源的最终排放形态二氧化碳是化石能源的最终排放形态二氧化碳是化石能源的最终排放形态二氧化碳是化石能源的最终排放形态化石能源及其现状化石能源及其现状表表表表3 3 3 3 全球各国全球各国全球各国全球各国CO2CO2CO2CO2排放量比较排行排放量比较排行排放量比较排行排放量比较排行二氧化碳是化石能源的最终排放形态化石能源及其现状表二氧化碳是化石能源的最终排放形态化石能源及其现状表33全球各全球各16汽车油耗占汽柴油诮费的比例汽车油耗占汽柴油诮费的比例(2002)(2002)耗耗 油油 量量，万吨万吨占占消消费费量量，%汽油车汽油车2825282575.575.5柴油车柴油车1888188824.224.2交通运输用油约占石油消耗的交通运输用油约占石油消耗的40%汽车油耗占汽柴油诮费的比例汽车油耗占汽柴油诮费的比例(2002)(2002)耗油量，万吨占消费量耗油量，万吨占消费量172020年原油需求控制在原油需求控制在4.5亿吨，至少进口亿吨，至少进口2.5亿吨，对外依存度亿吨，对外依存度65%汽车保有量应控制在汽车保有量应控制在1亿辆亿辆(现有现有2400万辆万辆)20042004年，产量年，产量500500万辆，到万辆，到20102010年预计年预计汽车年产量达到汽车年产量达到800800到到10001000万辆万辆 20202020年年原油需求控制在原油需求控制在4.5 4.5亿吨，至少进口亿吨，至少进口2.5 2.518在北京、上海等大城市，在北京、上海等大城市，空气污染的空气污染的60%60%来自汽车来自汽车排放排放二氧化碳的全球排放量二氧化碳的全球排放量中，中国居中，中国居第二第二 在北京、上海等大城市，空气污染的在北京、上海等大城市，空气污染的60%60%来自汽车排放来自汽车排放1920102010550ppm550ppm 从从从从左左左左图图图图大大大大气气气气COCO2 2浓浓浓浓 度度度度 随随随随 年年年年 代代代代的的的的变变变变化化化化及及及及其其其其在在在在全全全全球球球球的的的的分分分分布布布布图图图图可可可可以以以以看出：看出：看出：看出：很很很很明明明明显显显显，近近近近2020年年年年 来来来来，COCO2 2的的的的浓浓浓浓度度度度上上上上升升升升迅迅迅迅速速速速非非非非常常常常迅迅迅迅速速速速，20102010年年年年将接近将接近将接近将接近550ppm550ppm。而而而而且且且且，主主主主要要要要分分分分布布布布在在在在美美美美国国国国和和和和中中中中国国国国所所所所在在在在的的的的北北北北半半半半球球球球高纬度高纬度高纬度高纬度60-8060-80度处度处度处度处。2010550ppm2010550ppm从左图大气从左图大气CO2CO2浓度随浓度随20COCO2 2大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！CO2CO2大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！21“温室效应温室效应温室效应温室效应”使地球变暖带来的严重后果使地球变暖带来的严重后果使地球变暖带来的严重后果使地球变暖带来的严重后果A A、根据、根据、根据、根据IPCCIPCC的预测，的预测，的预测，的预测，20502050年地球的平均气温将增加年地球的平均气温将增加年地球的平均气温将增加年地球的平均气温将增加2.512.51B B、专专专专家家家家认认认认为为为为：近近近近100100年年年年来来来来，全全全全球球球球年年年年平平平平均均均均气气气气温温温温上上上上升升升升了了了了0.60.6。预预预预计计计计到到到到21002100年，全球年平均气温将比年，全球年平均气温将比年，全球年平均气温将比年，全球年平均气温将比19901990年上升年上升年上升年上升1.51.53.53.5C C、美美美美国国国国皮皮皮皮尤尤尤尤全全全全球球球球气气气气候候候候变变变变化化化化研研研研究究究究中中中中心心心心发发发发表表表表的的的的一一一一份份份份报报报报告告告告估估估估计计计计，到到到到21002100年年年年全球气温将升高全球气温将升高全球气温将升高全球气温将升高1.3-4.61.3-4.6摄氏度，并导致海平面升高摄氏度，并导致海平面升高摄氏度，并导致海平面升高摄氏度，并导致海平面升高17-9917-99厘米。厘米。厘米。厘米。D D、全全全全球球球球森森森森林林林林面面面面积积积积迅迅迅迅速速速速下下下下降降降降，现现现现有有有有森森森森林林林林已已已已无无无无法法法法吸吸吸吸收收收收各各各各国国国国所所所所排排排排放放放放的的的的二二二二氧氧氧氧化化化化碳碳碳碳，已已已已使使使使大大大大气气气气层层层层中中中中二二二二氧氧氧氧化化化化碳碳碳碳含含含含量量量量迅迅迅迅速速速速增增增增加加加加，整整整整个个个个气气气气候候候候状状状状况况况况已已已已经经经经进入恶性循环状态。进入恶性循环状态。进入恶性循环状态。进入恶性循环状态。E E、气气气气候候候候变变变变暖暖暖暖有有有有可可可可能能能能导导导导致致致致极极极极地地地地冰冰冰冰帽帽帽帽迅迅迅迅速速速速融融融融化化化化，进进进进而而而而使使使使海海海海平平平平面面面面上上上上升升升升，引引引引发发发发大大大大规规规规模模模模洪洪洪洪水水水水。在在在在地地地地球球球球历历历历史史史史上上上上发发发发生生生生于于于于1515万万万万年年年年前前前前的的的的冰冰冰冰川川川川期期期期则则则则只只只只是是是是因因因因为在为在为在为在2 2万年内地球气温升高万年内地球气温升高万年内地球气温升高万年内地球气温升高55所造成的。所造成的。所造成的。所造成的。F.F.温室效应还会造成极端降水（暴雨、暴雪）、飓风、山崩及泥石温室效应还会造成极端降水（暴雨、暴雪）、飓风、山崩及泥石温室效应还会造成极端降水（暴雨、暴雪）、飓风、山崩及泥石温室效应还会造成极端降水（暴雨、暴雪）、飓风、山崩及泥石 流等流等流等流等“非常事件非常事件非常事件非常事件”将频繁出现。专家们注意到，在过去几年里，将频繁出现。专家们注意到，在过去几年里，将频繁出现。专家们注意到，在过去几年里，将频繁出现。专家们注意到，在过去几年里，衡衡衡衡量气候变化的量气候变化的量气候变化的量气候变化的“非常事件指数非常事件指数非常事件指数非常事件指数”（ExtrenmeEventlndexExtrenmeEventlndex）不断攀）不断攀）不断攀）不断攀高，由于气候变化而引起的自然灾害随时可能出现。高，由于气候变化而引起的自然灾害随时可能出现。高，由于气候变化而引起的自然灾害随时可能出现。高，由于气候变化而引起的自然灾害随时可能出现。G.G.温室效应造成厄尔尼诺现象频繁发生，气候异常、危害严重温室效应造成厄尔尼诺现象频繁发生，气候异常、危害严重温室效应造成厄尔尼诺现象频繁发生，气候异常、危害严重温室效应造成厄尔尼诺现象频繁发生，气候异常、危害严重“温室效应温室效应”使地球变暖带来的严重后果使地球变暖带来的严重后果22化石能源及其现状化石能源及其现状 应对气候变化的国际行动应对气候变化的国际行动应对气候变化的国际行动应对气候变化的国际行动 为应对全球气候变化，国际社会制定了为应对全球气候变化，国际社会制定了为应对全球气候变化，国际社会制定了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联合国气候变化框架联合国气候变化框架联合国气候变化框架公约公约公约公约和和和和京都议定书京都议定书京都议定书京都议定书。许多国家和非政府组织相应建立了碳。许多国家和非政府组织相应建立了碳。许多国家和非政府组织相应建立了碳。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气候变化气候变化气候变化 联合国气候变化框架公约联合国气候变化框架公约联合国气候变化框架公约联合国气候变化框架公约化石能源及其现状化石能源及其现状 应对气候变化的国际行动应对气候变化的国际行动 联合国气候变化框联合国气候变化框23新能源及其发展现状新能源及其发展现状新能源及其发展现状新能源及其发展现状24美国和欧洲各国在美国和欧洲各国在1974-1975年和年和1979-1982年爆发了两次特能源危年爆发了两次特能源危机机 不依赖石油的电动汽车自然再次成不依赖石油的电动汽车自然再次成为研究的热点为研究的热点美国和欧洲各国在美国和欧洲各国在1974-19751974-1975年和年和1979-19821979-1982年爆年爆25新能源材料概论课件新能源材料概论课件26新能源材料概论课件新能源材料概论课件27锂离子电池的特点v高比能量高比能量 (180-200Wh/Kg)(180-200Wh/Kg)v长循环寿命长循环寿命 (500-(500-10001000次次)v高电压高电压 (3.6V3.6V)v低自放电低自放电(6-8%/6-8%/月月)v无记忆效应无记忆效应v绿色能源绿色能源锂离子电池的特点高比能量锂离子电池的特点高比能量(180-200Wh/Kg)(180-200Wh/Kg)28不断涌现的电子新产品需要不断涌现的电子新产品需要性能更优性能更优的的电源电源如如：Apple公公司司出出品品iPodphoto播播放放音音乐乐最最长长达达15小小时时；播放有音乐的幻灯片最长达播放有音乐的幻灯片最长达5小时小时APPLE的的iBook需需用用容容量量为为:3300mAh，10.8V的的锂锂离子电池离子电池市市场场期期待待己己久久的的电电动动车车需需要要功功率率更更大大的的电电池池，因因而而出出现了现了第二代的锂离子电池第二代的锂离子电池不断涌现的电子新产品需要性能更优的电源不断涌现的电子新产品需要性能更优的电源29l第二代锂离子电池的特征：大容量、高电压、长寿命、低价格大容量、高电压、长寿命、低价格l第二代锂离子电池的R&D;以美囯能源部车用技术办公室支持的“先进运输用电池”项目（BATT）代表 第二代锂离子电池的特征：第二代锂离子电池的特征：30一、第二代锂离子电池一、第二代锂离子电池 寿命达寿命达1010年年；1010年内容量衰退年内容量衰退20%170wh/kg170wh/kg；比功率比功率 300w/kg300w/kg；成本成本 150$/kwh20k/150$/kwh20k/年年 (即每年每即每年每20k20k单元的价格单元的价格 200A200A；充放电速度快充放电速度快 循环寿命长循环寿命长 维护简单维护简单电池电池+超级电容器：可提供高的电能超级电容器：可提供高的电能量和电功率，满足电动汽车启动、量和电功率，满足电动汽车启动、加速、爬坡、制动之大功率需求加速、爬坡、制动之大功率需求 电容量比传统电容器大电容量比传统电容器大2020020200倍；倍；39超级电容器产品的性能超级电容器产品的性能与主要应用领域与主要应用领域电动车用电动车用小型储能小型储能超级电容器产品的性能与主要应用领域电动车用小型储能超级电容器产品的性能与主要应用领域电动车用小型储能40动力型超级电容器动力型超级电容器动力型超级电容器动力型超级电容器 牵引型超级电容器牵引型超级电容器牵引型超级电容器牵引型超级电容器 动力型超级电容器动力型超级电容器 牵引型超级电容器牵引型超级电容器 41根据电极材料命名有：根据电极材料命名有：碳电极电化学电容器：碳电极电化学电容器：电极材料：活性碳，碳基聚合物，碳纳米材料；电极材料：活性碳，碳基聚合物，碳纳米材料；电解质：电解质：H H2 2SOSO4 4水溶液水溶液 或或 有机电解质有机电解质 或或 含有四烃基氨盐的固体电解质（其比含有四烃基氨盐的固体电解质（其比 表面积达表面积达1000m1000m2 2/g/g）双电层间距离：双电层间距离：2 23A3A；贮存容量：贮存容量：200200500F/g500F/g；产品电容器的比功率密度；产品电容器的比功率密度；4000 W/kg4000 W/kg根据电极材料命名有：根据电极材料命名有：42 C C C C电极表面双电层形成示意图电极表面双电层形成示意图电极表面双电层形成示意图电极表面双电层形成示意图碳电极材料主要通过碳电极材料主要通过碳电极材料主要通过碳电极材料主要通过吸附吸附吸附吸附电解液中的离子在电极电解液中的离子在电极电解液中的离子在电极电解液中的离子在电极表面形成表面形成表面形成表面形成双电层双电层双电层双电层来完成储能过程来完成储能过程来完成储能过程来完成储能过程C C电极表面双电层形成示意图电极表面双电层形成示意图碳电极材料主要通过吸附电解液碳电极材料主要通过吸附电解液43二、二、超级电容器超级电容器超级电容器超级电容器2.2.2.2.贵金属氧化物电极电化学器贵金属氧化物电极电化学器贵金属氧化物电极电化学器贵金属氧化物电极电化学器电极材料：电极材料：RuORuO2 2 ，IrOIrO2 2等等优点：由于优点：由于RuORuO2 2电极的导电率比碳大电极的导电率比碳大2 2个个数量级，在电解质数量级，在电解质H H2 2SOSO4 4中稳定，电容器有中稳定，电容器有更高的比能量，发展前景更好更高的比能量，发展前景更好二、超级电容器二、超级电容器2.2.贵金属氧化物电极电化学器贵金属氧化物电极电化学器44导电聚合物电极电化学电容器：导电聚合物电极电化学电容器：导电聚合物电极电化学电容器：导电聚合物电极电化学电容器：电极材料：可进行电极材料：可进行电极材料：可进行电极材料：可进行n n n n型掺杂的导电聚合物，如聚乙炔、型掺杂的导电聚合物，如聚乙炔、型掺杂的导电聚合物，如聚乙炔、型掺杂的导电聚合物，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。优点：它比贵金属电化学电容器性能更优良优点：它比贵金属电化学电容器性能更优良优点：它比贵金属电化学电容器性能更优良优点：它比贵金属电化学电容器性能更优良 研制全固体电化学电容器是今后研制全固体电化学电容器是今后研制全固体电化学电容器是今后研制全固体电化学电容器是今后R+DR+DR+DR+D的重要课题的重要课题的重要课题的重要课题导电聚合物电极电化学电容器：导电聚合物电极电化学电容器：45 成品电容器成品电容器成品电容器成品电容器近期目标近期目标远期目标远期目标能量密度能量密度5Wh/kg5Wh/kg15Wh/kg15Wh/kg功率密度功率密度500w/kg500w/kg1500w/kg1500w/kg能量能量(Wh)(Wh)500 500 750 750重量重量(kg)(kg)100100 5050美国能源部美国能源部美国能源部美国能源部提出的近期和长远发展目标提出的近期和长远发展目标提出的近期和长远发展目标提出的近期和长远发展目标 成品电容器近期目标远期目标能量密度成品电容器近期目标远期目标能量密度5Wh/kg15Wh5Wh/kg15Wh46 超级电容器研究的几个方向超级电容器研究的几个方向超级电容器研究的几个方向超级电容器研究的几个方向进一步提高超级电容器的进一步提高超级电容器的进一步提高超级电容器的进一步提高超级电容器的能量密度能量密度能量密度能量密度和和和和功率密度功率密度功率密度功率密度降低降低降低降低成本成本成本成本,特别是降低电极材料的成本特别是降低电极材料的成本特别是降低电极材料的成本特别是降低电极材料的成本 提高电容器的提高电容器的提高电容器的提高电容器的可靠性可靠性可靠性可靠性，延长，延长，延长，延长循环寿命循环寿命循环寿命循环寿命 超级电容器研究的几个方向超级电容器研究的几个方向进一步提高超级电容器的能量密度和进一步提高超级电容器的能量密度和47 太阳能：太阳能：l最清洁、最强大的能源，取之不尽，用之不最清洁、最强大的能源，取之不尽，用之不竭；竭；l地面上，晴天，每平方米植物表面可接受地面上，晴天，每平方米植物表面可接受1000W1000W能量能量太阳能：太阳能：48l20002000年以来美国推出了年以来美国推出了“国家光伏计划国家光伏计划”,日本的日本的“阳阳光计划光计划”,欧洲的欧洲的“尤里卡高科技计划尤里卡高科技计划”;l日韩欧合作建设全球规模最大的太阳能发电站日韩欧合作建设全球规模最大的太阳能发电站;l欧洲五家欧洲五家PVPV制造公司对日本五家公司展开激烈竞争制造公司对日本五家公司展开激烈竞争 促进了促进了PV PV 的的 R&DR&D、生产、应用迅猛发展、生产、应用迅猛发展;l太阳光能利用是近年来发展最快、最具活力的领域太阳光能利用是近年来发展最快、最具活力的领域20002000年以来美国推出了年以来美国推出了“国家光伏计划国家光伏计划”,”,日本的日本的“阳光计划阳光计划”49太阳能公寓太阳能公寓太阳能公寓太阳能公寓太阳能公寓太阳能公寓50太阳能的利用l太阳能的应用研究,美国、日本和德国等欧洲国家开展的比较早,目前在光热转换、光电技术方面的研究较为成熟l太阳能科技发展的两大趋势:一是光与电结合,二是太阳能与建筑的结合。太阳能应用途径有光热转换、光电转换和光化学转换三种方式太阳能的利用太阳能的应用研究太阳能的利用太阳能的应用研究,美国、日本和德国等欧洲国家开美国、日本和德国等欧洲国家开51三、三、第三代高效第三代高效太阳能电池、光电容器太阳能电池、光电容器太阳能电池、光电容器太阳能电池、光电容器大面积太阳能电池板大面积太阳能电池板大面积太阳能电池板大面积太阳能电池板(发电站用发电站用发电站用发电站用)三、第三代高效太阳能电池、光电容器大面积太阳能电池板三、第三代高效太阳能电池、光电容器大面积太阳能电池板(发电站发电站52美国美国美国美国“太阳神太阳神太阳神太阳神”号无人驾驶飞机，使用接触式太阳能电池，号无人驾驶飞机，使用接触式太阳能电池，号无人驾驶飞机，使用接触式太阳能电池，号无人驾驶飞机，使用接触式太阳能电池，效率达到效率达到效率达到效率达到 23%23%23%23%美国美国“太阳神太阳神”号无人驾驶飞机，使用接触式太阳能电池，效率达号无人驾驶飞机，使用接触式太阳能电池，效率达53美国宇航局探测器用美国宇航局探测器用美国宇航局探测器用美国宇航局探测器用PVPVPVPV装置装置装置装置美国宇航局探测器用美国宇航局探测器用PV PV装置装置54 第一代第一代第一代第一代太阳能电池采用太阳能电池采用太阳能电池采用太阳能电池采用单晶硅单晶硅单晶硅单晶硅技术制备，转换效率技术制备，转换效率技术制备，转换效率技术制备，转换效率1523%1523%，性能稳定、价格贵性能稳定、价格贵性能稳定、价格贵性能稳定、价格贵 第二代第二代第二代第二代太阳能电池采用太阳能电池采用太阳能电池采用太阳能电池采用多晶硅薄膜多晶硅薄膜多晶硅薄膜多晶硅薄膜技术制备，转换效率技术制备，转换效率技术制备，转换效率技术制备，转换效率1019%1019%，材料省，成本较低，材料省，成本较低，材料省，成本较低，材料省，成本较低 第三代第三代第三代第三代 太阳能电池太阳能电池太阳能电池太阳能电池,以两类太阳能电池为典型：以两类太阳能电池为典型：以两类太阳能电池为典型：以两类太阳能电池为典型：1 1、以先进薄膜技术为基础制备的、以先进薄膜技术为基础制备的非晶硅薄膜叠层非晶硅薄膜叠层太阳能电池，转换太阳能电池，转换效率高，最高效率高，最高35%35%，可大面积沉积，成本低，重量轻；，可大面积沉积，成本低，重量轻；2 2、有机半导体有机半导体太阳能电池，转换效率不高约太阳能电池，转换效率不高约2 25%5%，但价格低，可以，但价格低，可以用喷涂和印刷方式大规模生产用喷涂和印刷方式大规模生产 第一代第一代 太阳能电池采用单晶硅技术制备，转换效率太阳能电池采用单晶硅技术制备，转换效率55有机半导体材料有机半导体材料有机半导体材料有机半导体材料 常用的主要是常用的主要是常用的主要是常用的主要是小分子材料小分子材料小分子材料小分子材料和和和和高分子聚合物高分子聚合物高分子聚合物高分子聚合物材料材料材料材料 宽的宽的宽的宽的吸收系数吸收系数吸收系数吸收系数和较大的和较大的和较大的和较大的光激发系数光激发系数光激发系数光激发系数 电子电子电子电子-空穴对的空穴对的空穴对的空穴对的扩散长度扩散长度扩散长度扩散长度和光吸收薄膜的厚度相当和光吸收薄膜的厚度相当和光吸收薄膜的厚度相当和光吸收薄膜的厚度相当 光激发电子光激发电子光激发电子光激发电子-空穴对能广空穴对能广空穴对能广空穴对能广有效分离有效分离有效分离有效分离 较好的较好的较好的较好的电子电子电子电子-空穴迁移能力空穴迁移能力空穴迁移能力空穴迁移能力，在电极上能有效的，在电极上能有效的，在电极上能有效的，在电极上能有效的收集收集收集收集 主要特点：主要特点：主要特点：主要特点：有机半导体材料有机半导体材料 宽的吸收系数和较大的光激发系数宽的吸收系数和较大的光激发系数 主要特点：主要特点：56 与风能、太阳能等可再生能源发电系统与风能、太阳能等可再生能源发电系统与风能、太阳能等可再生能源发电系统与风能、太阳能等可再生能源发电系统 配套使用，使其配套使用，使其配套使用，使其配套使用，使其稳定供电稳定供电稳定供电稳定供电 火力发电及核电站的火力发电及核电站的火力发电及核电站的火力发电及核电站的电网调峰电网调峰电网调峰电网调峰，特别适合直流用电大户储存，特别适合直流用电大户储存，特别适合直流用电大户储存，特别适合直流用电大户储存“谷电谷电谷电谷电”用作自然灾害、战争等非常时期用作自然灾害、战争等非常时期用作自然灾害、战争等非常时期用作自然灾害、战争等非常时期应急电源应急电源应急电源应急电源，重要军事基地的，重要军事基地的，重要军事基地的，重要军事基地的备用电站备用电站备用电站备用电站 设计成设计成设计成设计成代替代替代替代替铅酸蓄电池用做潜艇潜航的铅酸蓄电池用做潜艇潜航的铅酸蓄电池用做潜艇潜航的铅酸蓄电池用做潜艇潜航的 动力电源动力电源动力电源动力电源液流储能系统的应用领域液流储能系统的应用领域风能风能风能风能 太阳能太阳能太阳能太阳能稳定供电稳定供电稳定供电稳定供电火电火电火电火电 核电核电核电核电电网调峰电网调峰电网调峰电网调峰 应急、替代电源应急、替代电源应急、替代电源应急、替代电源 液流储能装置液流储能装置 与风能、太阳能等可再生能源发电系统与风能、太阳能等可再生能源发电系统 配套使用，使其稳定供电配套使用，使其稳定供电57 钒液流电池的特性钒液流电池的特性钒液流电池利用钒有钒液流电池利用钒有钒液流电池利用钒有钒液流电池利用钒有5+5+、4+4+、3+3+和和和和2+2+多种多种多种多种价价价价 态，可形成相邻价态的电对的特点，以不同价态的钒态，可形成相邻价态的电对的特点，以不同价态的钒态，可形成相邻价态的电对的特点，以不同价态的钒态，可形成相邻价态的电对的特点，以不同价态的钒离子溶液为正、负极活性物质来组成化学电源，电池离子溶液为正、负极活性物质来组成化学电源，电池离子溶液为正、负极活性物质来组成化学电源，电池离子溶液为正、负极活性物质来组成化学电源，电池内部通过内部通过内部通过内部通过+导电，标准电位差约为导电，标准电位差约为导电，标准电位差约为导电，标准电位差约为1.251.251.251.25.正极正极正极正极由由由由5+5+/4+4+电对组成电对组成电对组成电对组成:负极由负极由负极由负极由3+3+/2+2+电对组成电对组成电对组成电对组成:反应原理示意图反应原理示意图 钒液流电池的特性钒液流电池利用钒有钒液流电池的特性钒液流电池利用钒有5+5+、4+4+、3+3+和和58 钒液流电池应用领域钒液流电池应用领域全钒液流电池应用领域示意图全钒液流电池应用领域示意图电源调峰电源调峰电源调峰电源调峰不间断电源不间断电源不间断电源不间断电源应急电源系统应急电源系统应急电源系统应急电源系统边缘地区储能系统边缘地区储能系统边缘地区储能系统边缘地区储能系统 大规摸的光电大规摸的光电大规摸的光电大规摸的光电转换系统转换系统转换系统转换系统风能发电系统风能发电系统风能发电系统风能发电系统 钒液流电池应用领域全钒液流电池应用领域示意图电源调峰边缘地钒液流电池应用领域全钒液流电池应用领域示意图电源调峰边缘地59 钒液流电池应用领域钒液流电池应用领域钒液流电池的应用对我们国家钒液流电池的应用对我们国家钒液流电池的应用对我们国家钒液流电池的应用对我们国家边缘地区边缘地区边缘地区边缘地区的电力扶贫以及基本建的电力扶贫以及基本建的电力扶贫以及基本建的电力扶贫以及基本建设有着举足轻重的意义：设有着举足轻重的意义：设有着举足轻重的意义：设有着举足轻重的意义：位于位于位于位于内蒙古、新疆、内蒙古、新疆、内蒙古、新疆、内蒙古、新疆、西藏、青海、甘肃西藏、青海、甘肃西藏、青海、甘肃西藏、青海、甘肃等等等等中西部地区的散居农中西部地区的散居农中西部地区的散居农中西部地区的散居农牧民由于远离电网和牧民由于远离电网和牧民由于远离电网和牧民由于远离电网和居住分散，难以通过居住分散，难以通过居住分散，难以通过居住分散，难以通过延伸电网供电。延伸电网供电。延伸电网供电。延伸电网供电。浙江、山东、浙江、山东、浙江、山东、浙江、山东、福建、江苏、福建、江苏、福建、江苏、福建、江苏、广东、海南广东、海南广东、海南广东、海南等等等等省的沿海岛屿省的沿海岛屿省的沿海岛屿省的沿海岛屿 据粗略统计，这些地区共有约据粗略统计，这些地区共有约据粗略统计，这些地区共有约据粗略统计，这些地区共有约一亿人口一亿人口一亿人口一亿人口尚未解决可靠供电问题尚未解决可靠供电问题尚未解决可靠供电问题尚未解决可靠供电问题 钒液流电池应用领域钒液流电池的应用对我们国家边缘地区的电力钒液流电池应用领域钒液流电池的应用对我们国家边缘地区的电力60电池系统组装电池系统组装设计灵活设计灵活，易于模块组合易于模块组合活性物质以液体状态贮存于活性物质以液体状态贮存于活性物质以液体状态贮存于活性物质以液体状态贮存于电堆外的储液罐中，电堆外的储液罐中，电堆外的储液罐中，电堆外的储液罐中，电池容量取决于外部活电池容量取决于外部活电池容量取决于外部活电池容量取决于外部活性物质浓度和容量多少；性物质浓度和容量多少；性物质浓度和容量多少；性物质浓度和容量多少；功率输出和能量储存是相互功率输出和能量储存是相互功率输出和能量储存是相互功率输出和能量储存是相互独立独立独立独立的。的。的。的。充充充充/放电可通过放电可通过放电可通过放电可通过 简单增加电解液简单增加电解液简单增加电解液简单增加电解液体积体积体积体积来实现来实现来实现来实现钒液流电池具有的特征钒液流电池具有的特征 电池系统组装设计灵活，易于模块组合活性物质以液体状态贮存于电电池系统组装设计灵活，易于模块组合活性物质以液体状态贮存于电61钒液流电池具有的特征钒液流电池具有的特征 电池系统电池系统易于维护，安全稳定易于维护，安全稳定电池的反应不存在固相电池的反应不存在固相电池的反应不存在固相电池的反应不存在固相反应，容易保证电堆的反应，容易保证电堆的反应，容易保证电堆的反应，容易保证电堆的一致性和均匀性一致性和均匀性一致性和均匀性一致性和均匀性电池的电解液均置于相同的储液罐中，电池的电解液均置于相同的储液罐中，电池的电解液均置于相同的储液罐中，电池的电解液均置于相同的储液罐中，两个电池的放电状态是相同的两个电池的放电状态是相同的两个电池的放电状态是相同的两个电池的放电状态是相同的 其工作温度其工作温度其工作温度其工作温度为室温条件，为室温条件，为室温条件，为室温条件，系统安全稳系统安全稳系统安全稳系统安全稳定定定定钒液流电池具有的特征钒液流电池具有的特征 电池系统易于维护，安全稳定电池的反应不电池系统易于维护，安全稳定电池的反应不62谢谢 谢！谢！谢谢谢！谢！63