《新能源材料物理基础》主要知识点

《新能源材料物理基础》主要知识点
《新能源材料物理基础》知识要点
绪论知识要点
1)能源的概念
能源亦称能量资源或能源资源，是指可产⽣各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可作功的物质的统称，是指能够直接取得或者通过加⼯、转换⽽取得有⽤能的各种资源
2)能源的重要意义
能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动⼒，是⼈类赖以⽣存的基础。

⼈的⾐⾷住⾏都离不开各种形式的能源。

能源与⼈类社会的⽣存与发展休戚相关
3)按照来源，能源可以分为哪三类？
来⾃地球外部天体的能源（主要是太阳能）
地球本⾝蕴藏的能量。

如原⼦核能、地热能等。

地球和其他天体相互作⽤⽽产⽣的能量。

如潮汐能
4)按照基本形态，能源可以分为哪两类？
有⼀次能源和⼆次能源
5)按照使⽤性质，能源可以分为哪两类？
有燃料型能源（煤炭、⽯油、天然⽓、泥炭、⽊材）和⾮燃料型能源（⽔能、风能、地热能、海洋能）。

6)新能源概念
⼜称⾮常规能源，是指传统能源（煤炭、⽯油、天然⽓、⽔能、⽊材等）之外的各种能源形式。

指刚开始开发利⽤或正在积极研究、有待推⼴的能源。

7)新能源的特点
1）资源丰富，可再⽣，可供⼈类永续利⽤；
2）能量密度低，开发利⽤需要较⼤空间；
3）不含碳或含碳量很少，对环境影响⼩；
4）分布⼴，有利于⼩规模分散利⽤；
5）间断式供应，波动性⼤，对继续供能不利；
6）⽬前除⽔电外，可再⽣能源的开发利⽤成本较化⽯能源⾼。

8)新能源有哪些主要类型？
⼤中型⽔电；
新可再⽣能源，包括⼩⽔电、太阳能、风能、现代⽣物质能、地热能、海洋能；
传统⽣物质能。

9)新能源材料的概念与主要类型
新能源材料，就是为利⽤这些⾮常规的能源，所制造的新兴材料。

能源技术材料、能量转换与储能材料和节能材料等。

快离⼦导体与燃料电池知识要点
1.材料的导电载流⼦主要有哪些？
电⼦，电⼦空⽳；离⼦，离⼦空位
2.材料按照其导电性⼤⼩，可以分为4种类型；导电性与温度的关系
超导体导体半导体绝缘体
3.快离⼦导体的概念，快离⼦导体的其他名称
所谓快离⼦导体，是指固体状态下，具有某种选择性的⾼离⼦电导率（i>10-4Sm-1），离⼦活化能E a 较低（低于0.5 eV），其i 值与熔盐或强电解质相当，与此同时，其电⼦电导率很低（e<10-11sm-1）的材料。

固体电解质（Solid Electrolyte）或超离⼦导体
4.快离⼦导体的特点及主要应⽤（举例）。

化学电源?电化学传感器?反应器?⾦属提纯?材料热⼒学数据的测量?电致变⾊?电积分器
全固态、特异性（固体电化学反应器）、离⼦运动具有较⼤弛豫性（忆阻器）5.快离⼦导体中载流⼦迁移有哪两种类型（空位，填隙）？
空位迁移和填隙离⼦迁移
6.Arrhenius⽅程，根据不同温度的电导率数据，如何计算活化能？
σ画出lnσ——曲线取斜率
7.经典离⼦扩散跃迁理论（要求掌握快离⼦导电电导率温度关系的推导及应⽤）
设离⼦电量q，电场x⽅向E，晶格常数a
则离⼦沿电场正反⽅向移动的⼏率分别为
则离⼦沿电场⽅向的平均漂移速度为v=
外电场不是很强有aqE<<，所以近似v=
令D=（扩散系数），有v=
电流密度j=nqv=σE，所以离⼦电导率σ=
令，则σ
8.离⼦迁移数的概念，离⼦迁移数对燃料电池开路电压的影响（要求掌握推导）
离⼦电导率在总电导率中所占⽐例称为离⼦迁移数
9.如何测量快离⼦导体的电导率？
交流阻抗谱法
10.钠硫电池概念，电解质电极，充放电过程中电极反应的电化学⽅程；钠硫电池的应⽤
⼀种新型的⾼能密度电池。

电解质为固体β-氧化铝，负极⾦属钠，正极硫
钠硫电池应⽤：削峰填⾕，应急电源，风⼒发电，储能电站，电动汽车
11.常⽤的氧离⼦导体有哪些？具有怎样的晶体结构？
氧化锆，氧化铈，氧化铋——⽴⽅萤⽯结构
镓酸镧——钙钛矿结构
12.稀⼟（例如Y）、碱⼟（例如Ca）掺杂氧化锆（氧化铈）产⽣氧空位的缺陷化学⽅程式
13.掺杂量与离⼦电导率的关系
低浓度时掺杂增加氧空位电导率增加，⾼浓度掺杂形成缔合缺陷，电导率降低。

14.固体氧化物燃料电池（SOFC）的基本结构及主要材料
氧化物多晶陶瓷，电解质为氧化物离⼦导体。

15.固体氧化物燃料电池的⼯作原理，电极与电池的电化学反应⽅程
16.固体氧化物燃料电池的主要特点
⾼效率，可热电联供
⽆腐蚀、⽆漏液、低噪⾳
低成本
原料来源⼴泛
燃料要求低、环境友好
设计种类多样
⾼温带来的问题
17.离⼦-电⼦混合导体概念
是介于离⼦导体和电⼦导体之间的⼀类固体材料，它同时传导离⼦和电⼦（⾃由电⼦和（或）电⼦空⽳）载流⼦。

18.SOFC阴极材料、阳极材料
阴极：LSM/YSZ复合材料阳极：Ni-YSZ/GDC/SDC⾦属陶瓷阳极
19.三相边界区域（TPB）涉及的是哪三相？
⽓相、电⼦导电相和离⼦导电相
20.逾渗的概念，逾渗发⽣的条件
两相媒质中的两个相，当孔隙太⼩，连通性不够，⽓体不可能透过。

存在临界阈值，超过临界阈值产⽣⽓体渗透的现象称为逾渗。

超级电容器知识要点
1.超级电容器的概念与特点
超级电容器是⼀种性能介于常规电容器和⼆次电池之间的新型储能元件。

与传统意义上的电容器相⽐，超级电容器具有更⾼的⽐电容量和能量密度，与⼆次电池相⽐则具有功率密度⾼，充放电时间短，循环性能好，使⽤寿命长，便于维护等特点
2.超级电容器与传统的静电电容器和⼆次电池的区别及联系
其功率密度远⾼于普通电池，能量密度远⾼于传统电容器，填补了这两个传统技术间的空⽩。

超级电容器具备了传统电容器和⼆次电池的双重功能。

3.超级电容器的分类
电极材料：碳电极电容器、⾦属氧化物电极电容器、导电聚合物电极电容器、复合材料电极电容器
结构与反应：对称型超级电容器、⾮对称型超级电容器
储能原理：双电层电容器、法拉第准电容电容器、混合类型电容器
电解质：有机系超级电容器、⽔系超级电容器、全固态超级电容器
4.双电层型超级电容器的原理与电极反应
双电层电容器的能量储存在双电层电容器界⾯上，界⾯两边分别是电⼦导电的电极和离⼦导电的电解液。

5.法拉第准电容型超级电容器的原理与电极反应
储能机理是电活性离⼦在贵⾦属电极表⾯发⽣⽋电位沉积，或在贵⾦属氧化物电极表⾯及体相中发⽣的氧化还原反应⽽产⽣的吸附电容。

6.混合型机制的超级电容器特点
拓宽使⽤电压范围并具有较⾼的能量密度
7.超级电容器的结构与组成材料
电极（碳、⾦属氧化物、导电聚合物、复合）、集流体、隔膜、电解液（⽔溶液或有机溶液）、辅助部件
8.超级电容器的主要表征⽅法
循环伏安、恒流充放电、阻抗谱
嵌⼊化合物与锂离⼦电池知识要点
1.嵌⼊式化合物概念、嵌脱反应概念及反应⽅程式
嵌⼊式化合物：涉及到客体在主体晶格中的嵌⼊、脱出以及主体的可逆嵌脱循环性能的化合物。

嵌脱反应：涉及客体物质可逆地嵌⼊主体基质结构⽽主体结构基本不变的固态反应。

xG+□X[Hs]→G X[Hs]
2.嵌⼊反应和嵌⼊化合物的特点
1) ⽣成的嵌⼊化合物可以不同程度地改变主体的化学、电学、光学、磁学等诸
⽅⾯的性质；
2) 嵌⼊反应⼀般是可逆的；
3) 反应被认为是局部规整的，主体仅发⽣微⼩的结构重组，结构和组成保持
着完整性；
锂离⼦电池的⼯作原理（例如，以锂钴氧为正极，碳为负极，会写反应⽅程式）
3.锂离⼦电池构造的五要素
正极材料，负极材料，隔离膜，电解液，包装
4.正极、负极、阳极及阴极的区分
电位⾼的为正极，电位低的为负极；发⽣氧化反应的电极为阳极，发⽣还原反应的电极为阴极
5.锂离⼦电池负极材料
⽯墨类负极、⾦属氧化物负极、纳⽶⾦属及⾦属化合物负极
6.锂离⼦电池对负极材料的要求
（1）嵌锂量⼤，容量⾼；
（2）锂嵌⼊/脱出时⾃由能变化⼩；
（3）锂在其中扩散系数⼤；
（4）嵌⼊/脱出过程可逆性好。

（5）具有良好的电⼦导电性。

（6）跟电解液化学相容且热⼒学稳定；
（7）机械性能好。

7.锂离⼦电池正极材料（锂钴氧、锂锰氧、锂镍氧及磷酸铁锂），每种正极材料的
优缺点
锂钴氧：能量密度⾼，技术成熟；但钴很贵
锂锰氧：安全，但⾼温性能差、稳定性差
锂镍氧：成本低，容量⾼，但制造困难，多⽤作三元材料
磷酸铁锂：便宜⼜安全，但低温性能不好，多⽤作动⼒电池
8.锂离⼦电池对正极材料的要求
LixMO←→xLi+MO
1) 可提供⾼的电池电压；
2) ⼴阔的x范围，可提供⾼的电池容量；
3) 在x范围内可输出恒定或⼏乎恒定的⼯作电压；
4) Li+在正极材料中的扩散速率较⼤；
5) Li+嵌⼊正极材料后结构变化极⼩，保证有良好的可逆性；
6) 良好的电⼦电导率；
7) ⾼度的化学稳定性，在电解液溶解度极⼩。

9.电池⾏业必要的专业术语及概念
充放电倍率（0.1C，1C，10C，etc.）、电极容量（mAh，Ah等）、电极⽐容量（mAh/g）等
10.新型锂离⼦电池正极材料硫酸铁锂的优势和不⾜，以及改性办法。

还能想出其
他的办法么？
优点：
⼤功率放电，⾼温性能好，可快速充电，循环寿命长
缺点：
导电性差，能量密度低，⼀致性问题：⽣产⼯艺难以控制，低温性能差
改性：碳包覆及离⼦掺杂可提升导电性能；⽤导电聚合物包覆也可提升导电性能；纳⽶化电极材料亦是提⾼导电能⼒的途径11.最新研究表明⽤碳纳⽶管作为电极可⼤幅提⾼电极的容量；还有，将⽯墨烯引
⼊，制成电极材料亦可⼤幅提⾼电极容量，并⼤⼤加快充电速度缩短充电时间，why？（可⾃⼰上⽹找资料，作进⼀步了解）由于具有三维结构，该材料的⽐表⾯积⾮常⼤，可以提供丰富的储存锂的空间。

锂离⼦均匀分布，可以抑制锂枝晶的⽣长。

12.锂离⼦电池的发展趋势？
市场需求⼤，向⾼安全、长寿命、⾼能量密度的⼤型化动⼒电池和储能电池发展
热电材料知识要点
1、地热资源的主要特点
巨⼤的天然，洁净
2、热电效应有哪三种？
塞贝克效应、帕尔帖效应和汤姆孙效应
3、塞贝克效应、帕尔帖效应和汤姆孙效应的物理机制
塞贝克效应：当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产⽣，且在回路中有电流通过帕尔帖效应：电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发⽣放热或吸热现象
汤姆孙效应：当电流通过⼀个单⼀导体，且该导体中存在温度梯度时，就会产⽣可逆的热效应
4、塞贝克系数、帕尔帖系数和汤姆孙系数的关系
5、如何根据探针法判断半导体的载流⼦类型？
热探针接触材料⼀端，热端电势⾼为n型，冷端电势⾼为p型
6、热电材料有哪些典型应⽤？
热电偶温度传感器，温差发电器，半导体制冷器
7、热电偶材料性能要求
性能稳定
温度测量范围⼴
物理化学性能稳定
导电率要⾼，并且电阻温度系数要⼩
材料的机械强度要⾼，复制性好、复制⼯艺简单，价格便宜8、热电材料的主要参数有哪些？热电材料的品质因⼦如何定义？
品质因⼦
9、热电材料中，热导机制有哪两种？降低热导率有哪些机制？
电⼦热导和声⼦热导。

改变晶体结构、掺杂和将材料制备成多晶材料降低声⼦衍射。

10、热电材料主要有哪些体系？
11、⾦属氧化物热电材料有何突出的优点？
12、理想的热电材料具有哪些特征？
核电材料知识要点
1、核能的概念与特点
核能（⼜称原⼦能），是由于原⼦核内部结构发⽣变化，发⽣核反应或核跃迁时所释放的能量。

2、核能的释放有哪三种形式？
核裂变，核聚变，核衰变
3、如何应⽤核能？
通过核反应堆中核裂变所释放出的热能进⾏发电。

核能→⽔和⽔蒸⽓的内能→发电机转⼦的机械能→电能
4、235U获得⼀个中⼦发⽣裂变反应的⽅程
5、裂变式反应堆由哪些部分构成？
都由堆芯和辅助系统组成，堆芯内装有核燃料
6、如何将裂变反应释放的中⼦慢化？有哪些常⽤的慢化剂？
借助慢化剂与⾼能中⼦的多次散射来实现。

轻⽔(H2O)、重⽔(D2O)、铍(Be)和⽯墨(C)。

质量数低且不易俘获中⼦的核素7、裂变堆有哪两种主要的类型？
热中⼦反应堆，快中⼦反应堆
8、裂变堆的堆芯材料有哪些种？
燃料组件材料，慢化剂材料，冷却剂材料，控制材料，反射层材料，屏蔽材料，反应堆容器材料
9、聚变反应⽅程
10、如何实现聚变反应物的约束？
磁约束，惯性约束
11、核技术成败的关键是什么？
核技术的成败取决于材料在反应堆中强辐射场下的⾏为
12、核辐照主要产⽣那种晶体缺陷？
铀和锆，各向异性晶体。

13、核辐照会造成核材料出现哪些类型的破坏？
1）包壳材料中空位团、间隙原⼦团的形核⽣长和辐照肿胀
2）核燃料中裂变⽓泡迁移、聚集和裂变⽓体释放
3）结构材料的辐照硬化、脆化和断裂
4）反应堆材料的辐照⽣长和辐照蠕变
14、结构材料在辐照作⽤下⼒学性能发⽣怎样的变化？
屈服应⼒和极限强度增加、延伸率下降、持久强度增加，断裂寿命降低光伏效应与太阳能电池知识要点
1、本征半导体，掺杂半导体，P型及N型半导体的概念
本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体。

掺杂半导体：通过添加杂质的办法降低半导体电阻率，提⾼其导电性。

P型：多⼦为空⽳的半导体。