第一章 新能源材料导论

再生能源分布: 太阳能占99%以上, 风能、地热能、生物质能等不到1% 人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发 展的能源保证。
能源分布图二
太阳能 其他能源
非水可再生能源（风能、太阳能、地热能、潮汐能、波浪能、 以及生物能）的发电量会从2007年的2.5%增长至2030年的8.6%。
中国占：
7
个
3.2 绿色技术
随着世界人口剧增，常规能源的日益匮乏及大量污染物的排放又 进一步加剧了人类生态环境的恶化。为此，人类需要来寻求一种 新的技术体系，以实现人类的可持续发展。绿色技术应运而生， 是指能减少污染、降低消耗和改善生态的技术体系。尽量设计没 有或者只有尽可能小的环境负作用的产品，并且在技术上和经济 上可行的生产和应用过程。它使所研究开发得产品和过程对环境 更加友好，是实现污染预防的基本的和重要的科学手段。 绿色技术主张在通过化学转换获取新物质的过程中充分利用每个 原子，具有原子经济性，因此它既能够合理利用资源和能源，又 能够实现防止污染。
3. 能源现状与问题
人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当 今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问 题，也是我国社会经济发展的重要问题。 各种能源的消费比例图:左图为我国能源结构；右图为世界能源分布图
能源分布图一
再生能源 非再生能源
非再生能源: 石油、天然气、煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的85% 左右（全世界为90%） 再生能源: 水力、太阳能、风能等只占15%左右。2050年争取达到50%。
新能源规划和碳减排目标 未来10年至少投资500亿欧元用于清洁能源的研发； 2020年实现清洁能源占能源结构20%；2020年将其温室 气体排放量在1990 年基础上减少20%，到2050年实现 温室气体减排80%。 未来10年向清洁能源领域投资1500亿美元；2015年以 前投放100万辆混合动力车；可再生能源发电比例在 2012年达到10%，在2025年达到25%；2020年温室气体 排放量在2005年的基础上减少17%。 2020年清洁能源消费占比提高到20%，其中除了太阳能 发电和生物燃料外，还包括热泵装置；到2020年太阳 能发电量提高到现在的20倍；到2020年将排放量较 2005年水平降低15%。 至2020年新能源总投资预计达4.5万亿元人民币,拉动 全社会总投资9万亿元；可再生能源占总能源消耗比例 提高到15%；单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%45%。
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2.能源种类：
三、新能源
•按形成方式可分为：一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、 石油、天然气、风能、太阳能等；二次能源，即由一次能源直 接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、煤气、氢等，它们使 用方便，易于利用，是高品质的能源。 •按循环方式可分为：可再生能源，即不会随它本身的转化或人 类的利用而越来越少，如风能、生物质能、太阳能、氢能等； 非再生能源，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然 气、核燃料等。
太阳能
PV
风能 氢能 核能
无论如何强调新能源和可再生能源的发展意义都不过分。
3.3 新能源的概念一般指以采用新技术和新材 料而获得的，在新技术基础上系统开发利用的能源。包括太 阳能、生物质能、化学能源、风能、地热能、海洋能、潮汐 能，以及氢能、沼气、酒精、甲醇等。随着常规能源的有限 性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特征的新能 源越来越得到各国的重视。 新能源具有资源可持续、清洁、分布均衡等特点，必将成为 未来可持续能源系统的支柱。 新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段， 也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持 续发展需要的最终能源选择。
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绿色技术是人类用能源危机和环境污染的巨大代价换来的新认 识、新思维、新科学体系。其根本点是从源头上防止污染的生 成，实现人和生态社会的和谐发展。 应用时所遵循的原则：
• （1）防止环境污染； （2）提高原子经济性； （3）尽量减少化学合成中的有毒原料和有毒产物； （4）设计安全的化学品； （5）使用安全的溶剂和助剂； （6）提高能源经济性； （7）原料的再利用； （8）减少官能团的引人； （9）新型催化剂的开发； （10）产物的易降解性； （11）以降低环污染为宗旨的现场实际分析; （12）防止生产事故的安全生产工艺。
绿色技术在能源领域引发的产业革命正如火如荼： 大力发展高效清洁的新能源及其先进能源材料的研究以替 代化石能源，改善能源结构、实现能源多元化。
原料能够摆脱化 石燃料的限制
使用过程无排 放污染
绿色电池能源 转换过程不受 热力学卡诺循 环限制
绿色新能源的特点与优势
全球主要经济体的新能源发展和减排目标
经济体
一.课程背景—面临任务
风能
前言
太阳能
低碳生活 发展清洁可再生能源 实现清洁能源的高效利用
锂动力电池组 动力型超级电容器
研发环境友好、清洁高 效的新能源材料与器件 成为能源领域的主旋律。
比亚迪F6
能潜水30分钟的手机
新能源器件
发明:D.M.Chapin, C. S. Fuller, G. L. Pearson，1954, Bell Lab； 发展：从硅片到薄膜；从单个组件到系统；从屋顶到光伏建筑集成
一.课程背景
战略新兴产业：新能源、新材料、新能源汽车
新能源材料
能源 危机
材料 发展
环境 污染
资源 紧缺
一 课程背景——可持续发展的要求
新能源技术 促进和谐发展 推动低碳经济
能源和材料是人类社会赖以生存和发展的最重要物质基础。
随着人类发展和社会工业化进程的推进，与人类休戚相关的石油、 天然气和煤等传统能源日益减少，随之而来的环境污染日益严重， 威胁着人类的可持续发展。人类社会要实现可持续发展战略，保 护自然环境与资源，必须发展新材料和新能源技术。 能源的转化与储存在充分利用地球资源，实现人类可持续发展、 推动低碳经济方面起着重要的作用。
•按环境保护的要求可分：清洁能源（绿色能源，如太阳能、氢 能、风能、化学能源等）和非清洁能源（如，化石燃料）
•按对被利用的程度分：常规能源，被广泛利用的能源如煤、石 油、水力、电能；新能源，如太阳能、氢能、地热能、生物质 能等，另外还有核能。
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能源利用与开发
太阳能 化石能源 水能
核能
风能 化学能源 地热能
新能源器件
二. 课程教学内容
本课程集中讲述当今主流新能源材料与器件的发展概况， 内容涉及各类新能源材料的基本原理、基本结构和性能 等，重点介绍锂离子二次电池、太阳能电池、燃料电池、 超级电容器等器件及关键材料的应用和发展前景。

参考书目： 《新能源材料》 陈军 编著 《新能源材料》 艾德生 编著 《新能源技术》 翟秀静 编著 《新能源材料及应用》张淑谦
中南大学冶金科学与工程学院 中南大学冶金科学与工程学院
一.课程背景
• 新能源材料是国家战略性新兴产业，战略性 新兴产业是新兴技术和新兴产业的深度融合， 既代表着科学技术创新的方向，也代表着产 业发展的方向，已经成为推动产业结构升级 和引领社会进步的根本动力。 • 新能源是世界经济发展中最具决定性影响的 五大领域之一（信息、生物、新材料、新能 源、空间技术）。

欧盟
美国
政府相继出台了针 对新能源的扶持政 策及远景规划，决 定综合采取财政补 助、科技支持和市 场拉动的方式，加 快本国新能源产业 的产业化和规模化 发展。 各主要经济体计划 在2020 年将可再生 能源的比重提高至 15-20%左右。
日本

中国
资料来源: 交银国际
欧洲联合研究中心对未来能源发展预测
形形色色的新能源
Q: 发的电放到那里？
现有能源网络
以风能为例，新能源的利用流程
电能储存是当前研究的重点。 化学电源（电池）是人们生活中应用广泛的方便储能技术，也是高新技术和现代 移动通讯的新型能源。性能优越的金属氰化物-镍电池、锂离子电池和燃料电池是 21世纪的绿色能源。化学电源储能的电化学原理、制造技术和发展趋势是新能源 开发的重要组成部分。
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三、新能源概述
3.1 能源 1. 基本概念
能量形式: 机械能(风能、水能等)、电磁能、热能、 化学能、原子能、光能。 能源: 自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。
关于能源的定义，说法较多。 《科学技术百科全书》： “能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资 源”；《大英百科全书》：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风 的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；《日本 大百科全书》：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能 等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”； 我国《能源百科全书》：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、 动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且 可以相互转换的能量的源泉。
温室效应——温室气体含量与来源
由于人类大量使用化石燃料，其排放出的CO2等温室气体对辐射的 选择性和吸收特性是使地球变暖的主要原因。
污 染 现 状
燃煤污染物 所占比列
SO2－85% CO2 －85% NOx－60% 粉尘－70%
世界十大严重污染城市
城市污染源50—90%为汽车 排气污染（CO、HC、NOX）


2.新能源分类
常见绿色新能源
太阳能
风能
生物质能
核能
化学能源
到“十二五”期末，新能源所占比重应该达到12%—13% 到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电 在电网总发电量中的比例达到3％以上
。
常见新能源




太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，人类通过光热转换技术， 光电转换技术和光化转化技术实现了热发电、蓄热、光伏发电和光化学发 电等利用形式。目前太阳能的开发还存在转换效率、成本和使用寿命等系 列问题。 氢能以质量轻、传热高、清洁和来源广等特点展示着诱人的开发前景。氢 能的制备、储存和利用是世界各国的研究热点，氢能的制备和贮存距离大 规模利用还有一定距离。 核能是清洁能源之一，和平利用核能为全球所关注。核能包括核裂变和核 聚变。人类已实现对核裂变的控制和利用，但尚未实现可控的核聚变反应。 生物质能是绿色能源，科学家们预计将成为未来可持续新能源系统的重要 组成部分。生物质气化技术、生物质液化技术、生物质固化技术和生物质 发电技术等的开发和应用是世界各国的研究热点。 风能是太阳热辐射引起的大气流动的动能，是可再生的清洁能源，风力发 电是风能利用的主要领域；海洋能、地热能和可燃冰都是巨大的能源。积 极开发科学研究，提供开发技术，是实现可持续发展的需要。