能源材料第二章
新能源材料与技术-第2章 锂离子电池材料-1
离子电池的组成
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01锂离子电池概述
八、锂离子电池的组成
锂离子电池的结构一般包括以下部件:正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、 绝缘材料、安全阀、PTC (正温度控制端子)、电池壳。 以圆柱形锂离子电池为例，其结构如图2-2 (a)所示，扣式电池的结构与圆柱形电池的结构相似。方形 锂离子电池的结构如图2-2 (b)所示。聚合物锂离子电池的结构如图2-2 (c)所示。
以LiCoO2为例：
充电 放电
充电 放电
充电 放电
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01锂离子电池概述
七、锂离子电池与锂原电池（锂电池）的主要区别
1. 锂电池是一次电池，不可充电；锂离子电池是二次电池，可充电； 2. 在负极材料的选择上，锂电池（锂原电池或者锂金属电池）使用锂金属或者锂合金为负极，
而锂离子电池主要选择的是石墨类材料。 3. 原理不同：锂电池是锂做负极发生的氧化还原反应；锂离子电池是通过锂离子在石墨负极上
能刺透在正负极之间起电子绝缘作用的隔膜，最终触到正极，造成电池内部短路，引起安全问题。 4. 1980年，M. Armand 提出了“摇椅式”二次锂电池的设想，即正负极材料采用可以储存和交换锂离子的
层状化合物，充放电过程中锂离子在正负极之间穿梭，从一边“摇”到另一边，往复循环，相当于锂的 浓差电池。 5. 在20世纪80年代初期，Goodenough 合成了 LiMO2 (M=Co、Ni、Mn) 化合物，这些材料均为层状化 合物，能够可逆地嵌入和脱出锂，后来逐渐发展成为二次电池的正极材料。这类材料的发现改变了二 次锂电池锂源为负极的传统思想。
锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对 电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生 成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的 碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子 就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电 容量越高。放电时，锂离子从负极脱嵌进入正极。
新型能源材料在太阳能光伏中的应用研究
新型能源材料在太阳能光伏中的应用研究第一章：引言太阳能光伏作为一种可再生能源，具有无污染、可持续性和广泛性等特点，已经成为当今世界发展的热点领域。
然而，由于传统的光伏材料如硅的成本高昂和制造过程中的能耗大，导致光伏发电的经济性和竞争力有限。
因此，新型能源材料的应用在太阳能光伏中具有重要的意义和潜力。
本文将探讨一些新型能源材料在太阳能光伏中的应用研究。
第二章：有机光伏材料的应用研究有机光伏材料是近年来兴起的一种新型能源材料。
其特点是材料成本低、重量轻、柔性好，可在可弯曲的基底上制备光伏器件。
有机光伏材料的研究主要集中在提高器件的转换效率和稳定性。
研究人员通过调整分子结构、控制相界面和优化电子传输路径等方法，不断改进有机材料的光电性能。
例如，利用共聚物材料、接受体材料和给体材料的设计优化，有机光伏器件的转换效率已从最初的几个百分点提高到目前的千分之几。
第三章：钙钛矿太阳能电池的应用研究钙钛矿太阳能电池是一种新型的高效光伏器件。
钙钛矿材料具有光吸收范围广、载流子迁移率高和制备工艺简单等优点。
近年来，研究人员通过材料的合成改进、界面工程和器件结构优化，不断提高钙钛矿太阳能电池的转换效率。
有报道称，钙钛矿太阳能电池的转换效率已突破20%，接近传统硅基太阳能电池的水平。
随着对钙钛矿材料性能和稳定性的深入研究，钙钛矿太阳能电池有望在未来成为太阳能光伏领域的主流技术。
第四章：多级太阳能电池的应用研究多级太阳能电池是一种通过叠加多个光电转换层，实现不同波长的光吸收和转换的光伏器件。
这种器件通过组合多种不同的材料，可以扩展太阳能光谱的吸收范围，并提高光电转换效率。
目前，研究人员已成功开发出多种具有高转换效率的多级太阳能电池，如硅基/钙钛矿、钙钛矿/有机等结构。
这些器件不但提高了太阳能光伏的转换效率，还降低了制造成本，扩大了应用范围。
第五章：新型光伏材料的挑战与展望尽管新型能源材料在太阳能光伏中的应用研究已经取得了一些重要进展，但仍面临一些挑战。
第二章-新能源材料--生物质能材料
生物质能化学转换技术：气化
同时，有一部分碳，由于氧气（空气）的供应 量不足，便生成一氧化碳，放出一部分热量。
2C + O2 2CO 在此层中主要是产生二氧化碳，一氧化碳的生 成量不多，水分也很少分解。 2）还原层 此时没有氧气存在，二氧化碳和水 蒸汽被还原成一氧化碳和氢气，进行吸热反应，
生物质能化学转换技术：气化
生物质能化学转换技术：气化
发生炉工作时，在炉栅附近的燃料遇到炉栅下 通过的空气而全部燃烧。在炉栅上形成灰渣。空气 经过灰渣层略为加热后，进入燃烧层（氧化层）， 这里氧气与碳反应，生产二氧化碳，也有一小部分 一氧化碳。氧化层上方是还原层，在这里，由于遇 到炽热的燃料，二氧化碳被还原成一氧化碳，水被 还原成氢气。炽热的气体再向上走把燃料中的挥发
理论上讲，气化和燃烧都是有机物与氧反应， 但燃烧的主要产物是二氧化碳和水，并放出大量的 热，所以燃烧是将原料的化学能转换成热能；气化 反应放出的热量要少得多，气化主要是将化学能的 载体由固体变为气体，气化后的气体燃烧时再释放
生物质能化学转换技术：气化
出大量的热量。 使用中，气态燃料比固态燃料具有许多优良性能：
燃料的工业分析： 燃料=水分+挥发分+灰分+固定碳
燃料的工业分析：
燃料=水分+挥发分+灰分+固定碳
水分： 挥发分：实验中将煤样在隔绝空气条件下高温（900.C） 加热，从煤中有机质分解出来的液体和气体的总量中减去 水分，就得出挥发分。 灰分：灰分是指煤完全燃烧后剩下来的残渣。这些残渣几 乎全部来自煤中的矿物质。 固定碳：是指除去水分、灰分、挥发分后的残留物，从 100%减去煤的水分、灰分和挥发分后的差值即为煤的 固定碳含量。固定碳的化学组分，主要是为碳元素，另外 还有一定数量的氢、氧、氮、硫等其它元素。
新能源材料技术教学大纲.doc
新能源材料技术教学大纲学时：32 学分：2教学大纲说明一课程的目的和任务《新能源材料技术》是材料物理与化学和材料工程硕士专业的一门专业选修课程，课程教学的任务与目的是使学生掌握锂离子电池关键正负极材料、以质子交换膜型和中温固体氧化物为代表的燃料电池材料、硅半导体材料为代表的太阳能电池材料以及铀、氧、氤为代表的反应堆核能材料的相关知识及应用。
扩大专业知识面，为将来从事相关技术工作打下初步基础。
二、课程的基本要求通过本课程的教学，力图使学生达到：1、能体现学科专业发展的前沿。
本课程力图在《材料科学基础》和《材料化学》等学科的基础上，探索新能源领域中相关无机材料的制备和应用，课程的深度和广度能体现学科专业发展的前沿。
2、掌握电动汽车用动力电池材料的关键技术，采用新技术和工艺方法，合成新物质和新材料。
3、掌握锂离子电池材料、燃料电池材料、薄膜太阳能电池材料和核能材料的相关知识及应用。
三、与其它课程的联系与分工新能源材料是一类非常重要的新型无机材料，学生学习本门课程之前应学习《材料化学》、《材料科学基础》、《材料热力学》等专业课程。
而通过本门课程的学习，学生可以深化对其他课程所学知识的理解。
四、课程的内容与学时分配章次内容总学时数课堂讲授时数实验时数绪论22一锂离子电池材料1010二燃料电池材料88三太阳能电池材料88四核能材料44总学时数3232五本课程的性质及适应对象材料类硕士研究生各专业选修教学大纲内容绪论（2学时）教学内容：人类社会对能源的需求与面临的挑战，新能源与新能源材料，新能源材料的主要进展教学提示：本章重点在于让学生了解和掌握新能源与新能源材料的概念，新能源材料的主要进展。
第一章锂离子电池材料（10学时）教学内容：锂离子电池概述，负极材料，正极材料，电解质材料，锂离子电池的应用教学提示：本章重点在于让学生了解和掌握锂离子电池的概念，掌握锂离子电池负极材料，正极材料，电解质材料，隔膜材料的各自特点及其在锂离子电池中的应用。
新能源材料优秀课件
电池反应 Ni(OH） 2+M充 放 电 电 NiOOH+M H
正极
N i(O H ） 2+O H -充 放 电 电 N iO O H +H 2O +e
负极
M+H2O+e充 放电 电MH+OH-
商品Ni/MH电池的形状有圆柱形、方形和扣式等多种类型； 按电池的正极制造工艺分类，则有烧结式和泡沫镍式（含 纤维镍式）两大类型。
Li++e+C6
充电 放电LiC6
电池反应Biblioteka 充 电 LiCO2+C6放 电CoO2+LiC6
商用锂离子电池按形状分类有圆柱形、方形和 扣式。按正极材料分类，有氧化钴锂型、氧化 镍锂型和氧化锰锂型。
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❖ 锂离子电池的前景展望
（1）发展电动汽车用大容量锂离子电池； （2）开发及使用新的高性能电极材料； （3）加速聚合物锂离子电池的实用化进展。
❖ 金属氢化物镍电池材料
（1）正极材料的改善，如改进球形Ni/(OH)2 （2）AB5型储氢合金的改进 （3）新型高容量储氢电极合金的研究与开发，如Ni/MH合
金、Mg-Ni系合金
❖ 锂离子二次电池材料
（1）碳负极材料 （2）纳米合金材料，如纳米Sn、SnSb、SnAg等 （3）正极材料，如LiCoO2 （4）电解质材料
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第2章 金属氢化物镍电池材料
❖ 高密度球形Ni(OH)2正极材料 ❖ 储氢合金材料 ❖ AB2型Laves相储氢电极合金 ❖ 其他新型高容量储氢电极合金、 ❖ Ni/MH电池材料的再生利用
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2.1高密度球形Ni(OH)2正极材料 2.1.1 球形Ni(OH)2的基本性质与制备方法
能源材料2
4 LiFePO;正极材料》热稳定性好：充电到4.2V } LiFeP04自我维持放热反应发生的温度为3100C, LiCo02为1500CLiFeP04的放热量明显低于其它处于充电状态的LiCo02、},iNi02及LiMn204 》安全性好：特别适用于铿离子动力电池，》原料廉价4.3 LiFePO;的制备》高温固相反应》碳热还原法优点：碳材料有还原能力，铁源可用三价铁化合物，且可降低合成温度、缩埠反应时间高分子聚合物分解的碳在反应系统中呈原子级分散状态，从而可实现对合成产物的均匀包覆原位包覆的碳膜降低了磷酸铁铿颗粒的生长速度典型工艺：以磷酸二氢铿、三氧化二铁和高分子聚合物为原料，按化学计量比混合研磨均匀，在惰性气氛的保护下高温烧结制备磷酸铁锂4.4 LiFePO;的改性》主要问题：电子导电率低、离子扩散系数低》改性手段：碳包覆改善电子导电性·掺杂以改善电子导电性合成小粒度材料减少扩散距离合成粒度可控的类球形颗粒锂离子电池负极材料1负极材料棍述1.1性能要求：有较低的氧化还原电位，保证锉离子电池的高电压特性理想的负极材料:电位接近金属Li；氧化还原电位随锉插入/脱插量的变化应尽可能小，以保证充放电的平稳；允许大量的锉离了插入/脱插，保证锉离子电池的高容量特性；具有良好的电子电导率和离子电导率，以减小电极极化并提高大电流充放电性能入；具有良好的表面结构，能与电解液形成良好而稳定的SEI膜廉价、环保2.1石墨结构；C=c双键组成六方形结构，构成一个平面(墨片面)，这些平面相互堆积起来，就成为石墨晶体理论容量:3 72 mAh/g实际容量:可接近理论容量2.2碳负极材料优点：球状颗粒，便于紧密堆积可制成高密度电极；光滑的表面，低比表面积，可逆容量高；球形片层结构，便于铿离子在球的各个方向迁出，可以齐倍率充放电制备方法：原料：煤焦油、沥青、石油重质油等制备过程、裂解:裂解温度:3 5 0—5 00 0C，产物为微米级碳微球、石墨化:石墨化温度:2800 0C》电化学性能：实际比容量:310330 mAh/g；平均嵌铿电位:0.15 V } vs. Li+/Li ；首次库仑效率:8890%；循环性能及高倍率性能:较好；MCMB是目前最理想的负极材料3.1硅的性质：结构:单晶、多晶、非晶；储锉机理:4.4Li+s}*L,14.4s1；容量:理论:4200mAh/g，实际容量<<理论值；循环性能；极差原因：与锉反应体积膨胀3 00%，加上材料脆性履头，产生很大应力，致使材料粉碎，与集流体失去电接触而导致失效3硅基材料改性手段：合金化；1与对Li无活性金属M形成合金；M可以是Ni, Co, Fe, Cu, Mn...；作用：导电、缓冲、防止团聚；复合化：Si与高导电、高延展性材料复合如:C , Ag等金属、导电高分子…；作用：导电·缓冲·防止团气4锡基材料4.1锡及锡合金(与Si类似)4 .4Li+Sn Li4_4Sn》容量:理论993 mAli/g》循环性能:差与锂反应体积膨胀359%》改性手段:合金化，纳米复合化，(同si材料)4.2锡的氧化物(Sn0与SnO2)储锉机理:SnOx+Li Li20+Sn(不可逆)4.4Li +sn Li4.4Sn(可逆)4.3锡基复合氧化物》制备:SnO, B203, Sn2P20}, A12} Ar气保护气氛下11000C锻烧，烧制成玻璃》机理:Sn-O键储锂5过渡金属氧化物材料》种类:Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn》机理M.xOy.+Li M+Li2O容量.：以Ni0为例:718 mAh/g6 LiTiO12(Li4/3Ti5/3O4)材料6.1结构》尖晶石AB2O4型结构，可写成:Li[Li1/3Ti5/3]O4》嵌脱锉反应8a 16d 32eD零应变材料(Zero Strain):晶格常数a从8.36变到8.37A，骨架稳定口Li+可以从任意角度嵌入:快速动力学、优异的扩散系数6.2性能》理论容量:175 mAh/g(容量低)》优良的循环性能》平稳的充放电平台(无需防过充装置)》较高的嵌锉电位冬1.55 V)，提高了安全性·避免锉枝晶的析出·消除SEI膜产生·避免电解液分解》可快速充放电入》电子电导率低》电池电压低1,超级电容器特点电容F级特点：能量密度高充放电时间短功率密度大循环寿命长2、碳材料机理：双电层电容电能储存在电极/电解液界面的双电层中分类:活性炭、碳气凝胶、波态炭、碳管、石墨烯共性:高比表面积(多孔化、低维化)2.2导电聚合物材料机理:yan电容电极材料发生快速氧化还原反应而储存电能代表：PANI. PEDOT PPY（化学稳定性差) 2.3金属氧化物材料》机理:yan电容》典型:Ru02(己商业化)性能:可达790 F/g,循环性能好缺点:昂贵，仅用于军工、航天等尖端领域》廉价材料的开发材料:NiO, Co304, Mn021镍氢电池1.1镍氢电池的原理负极活性物质：储氢合金正极活性物质：p-Ni(OH)2电解液:KOH ，一般6 mol/L(一)M/MH}KOH}Ni(OH)2/Ni00H(+)电池反应:xNi(OH）2+M宾Ni00H+MHx2镶氮电池材料2.2镍氢电池负极材料—储氢合金:①AB 5型镍系储氢合金(代表LaNis)口发展:多元LaNi5系储氢合金.La } La, Ce, Pr, Nd等混合稀土金属.富La混合稀土富Ce混合稀土.Ni } Ni, Co, Mn, Al等混合金属2镶氮电池材料②AB 2型储氢合金(Laves相储氢合金)Zr基:ZrM2 (M=V , Cr, Mn)Ti基:TiMn2等用其他元素代替或部分代替A和B1燃料电池介绍1.1燃料电池?燃料电池(Fuel Cell，简称FC)是一种将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学装置1.2燃料电池池的工原理l，向一个电极供给燃料(如氢气);燃料极、阳极·向另个电极供给空气(氧气);空气极、阴极口工作原理:·燃料气在阳极催化剂的作用下发生氧化反应，生成阳i貂呼给出自由电子;氧气在阴极催化剂的作用下发生还原反应，得到电子并产生阴离子·阳极产生的阳离子或者阴极产生的阴离子通过电解质(离子导电而电子绝缘) 运动到另一电极，电子通过外电路由阳极运动到阴极·反应产物与未反应完全的反应物一起排到电池外2质子文换膜燃料电池2.2质子交换膜(PEM)PEMF C的关健部位，直接影响电池性能和寿命质子交换膜必须满足下列条件:1、使用寿命长2、具有高的H+传导能力和电子绝缘性3、在电池运行的条件下（工作温度、氧化与还原气氛和电极的工作电位)下，膜结构组成保持不变，具良好的化学与电化学稳定4、具有低的反应气体(如氢气、氧气)的渗透系数，保证电池具有高的库仑效率·5、具有一定的机械强度和柔韧性全氛磷故膜非全氮礴故膜耐热性质子交换膜2质子文换膜然料电池2.3催化剂》由于PEMFC的工作温度一般低于100C ,至今主要以铂为电催化剂(阳极、阴极催化剂催化机理:氢、氧气体极容易被吸附到铂表面，形成中间态的Pt-H和Pt-O，然后结合生成水2质子文换膜蛾料电池形态:铂均以纳米级颗粒形式高分散地担载到导电、杭腐蚀的担体上(为提高铂的利用率和减少铂的用量).担体:乙炔炭黑如:Vulcan次C-72R炭黑，粒径为几十纳米，比表面积为250 m2/g2质子文换膜燃料电池抗性·抗co、co的来源:用各种烃类或醇类的重整气作为PEMFC的燃料时，重整获得的富氢气体中含有一定浓度的CO后果:CO叉导致Pt电催化剂的中毒改性:开发二组分合金或多组分合金电催化剂Pt-M/C ( M为贵金属或过渡金属) 如:Ru、Sn、Co、Ni、Fe……2.4电极PEMFC一般都采用气体扩散电极，由气体扩散层和催化剂层组成》双极板的功能与特点·分隔氧化剂与还原剂;阻隔气体性强·集流体;导电性好，保证高效率低热量·导热性高;及时把内部热量带走·杭腐蚀性强化学腐蚀和电化学腐蚀)·质量轻，高强度，高韧性. 双极板是最重和最厚的部件要求密度小、板材薄，易加工，力学性能好良好的气体与水分配作用;流场设计是关健表面光滑不污染环境2.6电池单体的寿命》寿命的标准:电池电压低于新电池电压的10%时所需要的时间(超寿不会立即停止工作)》影响因素催化剂的烧结皿象:Pt颗粒溶出后与其他Pt颗粒结合，颗粒变大，比表面积减小，催化性能降低电极材料的腐蚀要发生在空气极碳载体被腐蚀，催化剂脱落，主催化剂被湿润的程度(对于液体电解i,}催化层憎水性，电解质的蒸发等等太阳电池材料1 p-n结1.1 p-n结的概念利用各种工艺将p型、n型半导体材料结合在一起(并非简单连接或粘结)，在两者结合处形成p-n结。
新型能源材料在储能技术中的应用研究
新型能源材料在储能技术中的应用研究第一章引言随着全球能源需求的日益增长和传统能源资源的不断枯竭，新能源的开发和利用已成为全球关注的热点。
在新能源中，一种重要的技术是储能技术。
储能技术可以有效解决能源的间断性和不稳定性问题，实现能源供应的可持续性和稳定性。
新型能源材料作为储能技术的关键组成部分，其在储能技术中的应用研究具有重要意义。
第二章新型能源材料的分类与特点2.1 固态电池材料固态电池材料是新型能源材料中的重要一类，其具有高能量密度、长循环寿命和快速充放电速度等特点。
常见的固态电池材料包括锂电池材料、超级电容器材料和燃料电池材料等。
2.2 水系能源材料水系能源材料是指能够利用水资源进行能量储存和释放的材料。
水系能源材料具有丰富的资源、高储能密度和环境友好等特点。
目前，水系能源材料主要包括水电能材料和海洋能材料等。
2.3 太阳能材料太阳能材料是指能够将阳光直接转化为电能的材料。
太阳能材料具有光电转换效率高、可再生能源丰富和清洁环保等特点。
常见的太阳能材料包括硅光伏材料、有机光伏材料和钙钛矿光伏材料等。
第三章新型能源材料在储能技术中的应用3.1 固态电池材料在储能技术中的应用固态电池材料在储能技术中具有重要的应用价值。
锂电池材料在电动汽车和移动电子设备中被广泛使用，具有高能量密度和循环寿命长的优势。
超级电容器材料的快速充放电特性使其广泛应用于储能站和电力系统。
燃料电池材料以其高效能转换、零排放和适应性强的特点在电力、交通和热水等领域得到应用。
3.2 水系能源材料在储能技术中的应用水系能源材料作为可再生能源的重要组成部分，在储能技术中具有广泛应用前景。
水电能材料通过水库、水轮发电等形式实现能量储存和利用，具有规模化、可控性和高效性的特点。
海洋能材料通过潮汐、波浪和海流等形式实现能量收集和利用，具有无限供应、环境友好和多样化的优势。
3.3 太阳能材料在储能技术中的应用太阳能材料是储能技术领域的重要组成部分。
利用仿生学原理设计新型能源材料
利用仿生学原理设计新型能源材料第一章引言能源问题一直是全球关注的热点话题，随着人口增长和经济发展的不断推进，传统能源资源的消耗速度正在加快，对环境产生的影响也越来越严重。
探索新能源材料的研发和应用，成为解决能源问题的关键。
第二章能源材料需求与挑战2.1 清洁与高效能源材料需求传统化石燃料存在能源消耗和环境污染问题，迫切需要研发清洁、高效能源材料，以推动可持续发展。
2.2 能源材料设计挑战能源材料需要具备高能量密度、良好的循环稳定性和长寿命等特点，研发工作面临着合成方法、材料结构设计和性能调控等多个挑战。
第三章仿生学原理介绍3.1 仿生学原理的发展背景仿生学是从生物学中汲取灵感，将自然界的智慧应用于人类技术领域的一门学科。
利用仿生学原理设计新型能源材料具有巨大的潜力。
3.2 生物结构与能源材料设计生物体的结构特征，如多级纳米结构、多孔结构以及有序排列的生物分子，对于材料的能量储存和释放具有重要作用。
第四章仿生学应用于新型能源材料设计4.1 基于仿生学原理的柔性储能材料设计仿生学原理可以指导柔性储能材料的设计，通过模仿生物体的柔软结构和可逆变形特性，实现储能材料的可弯曲性和高能量储存效率。
4.2 基于仿生学原理的光能转化材料设计仿生学原理可以启发光能转化材料的设计，通过模仿植物叶绿素的结构和功能，设计出更高效的光能转化材料，提高太阳能电池的能量转化效率。
4.3 基于仿生学原理的触媒材料设计仿生学原理可以引导触媒材料的设计，通过模仿生物催化剂的结构和催化机理，提高催化反应活性和选择性，促进新型能源材料的开发和应用。
第五章仿生学与新能源材料研究的展望5.1 仿生学在能源材料上的前景利用仿生学原理设计新型能源材料的开发和应用，将为解决能源问题提供全新的途径，有望推动能源技术的革命。
5.2 仿生学与其他学科的融合仿生学原理可以与材料科学、化学、物理学等学科进行深度交叉与融合，为新能源材料的研究和应用开辟更广阔的领域。
材料表征技术在新能源材料中的应用
材料表征技术在新能源材料中的应用引言近年来，随着全球能源需求急剧增长以及环境问题日益突出，新能源材料的研发和应用变得越来越重要。
材料表征技术作为研究材料结构和性能的重要手段，对于新能源材料的研究具有重要的推动作用。
本文将介绍材料表征技术在新能源材料研究中的应用，并按类划分为以下几个章节进行详细探讨。
第一章电化学表征技术在新能源材料中的应用电化学表征技术是研究材料电化学性能的重要手段，广泛应用于新能源材料的研究中。
例如，对于太阳能电池中的光电转换材料，电化学阻抗谱技术可以帮助研究人员了解材料的电荷传输机制和界面特性，为提高太阳能电池效率提供有力支持。
此外，电化学表征技术还可以用于评估电池材料的性能稳定性和电化学储能材料的电化学行为，有助于新能源材料的设计和优化。
第二章光谱表征技术在新能源材料中的应用光谱表征技术是通过材料与光的相互作用来研究材料性质的方法。
在新能源材料研究中，光谱表征技术被广泛应用于材料的结构表征和能带结构分析。
例如，透射电子显微镜（TEM）可以获得材料的原子尺度结构信息，扫描电子显微镜（SEM）可以观察材料的形貌和表面特征，X射线光电子能谱（XPS）可以分析材料的化学成分和氧化态。
这些光谱表征技术为新能源材料的设计和制备提供了重要的依据。
第三章微观表征技术在新能源材料中的应用微观表征技术是通过对材料的微观结构和性能进行直接观察和分析来研究材料性质的方法。
在新能源材料研究中，微观表征技术被广泛应用于材料的形貌、晶体结构和微观缺陷分析。
例如，扫描探针显微镜（SPM）可以观察材料的表面形貌和纳米尺度特征，X射线衍射（XRD）可以确定材料的晶体结构和晶格参数，透射电镜（TEM）可以分析材料的晶胞结构和缺陷。
这些微观表征技术为新能源材料的研究和开发提供了重要的实验数据。
第四章磁学表征技术在新能源材料中的应用磁学表征技术是研究材料磁性和磁性机制的重要手段，也广泛应用于新能源材料的研究中。
例如，以稀土永磁材料为代表的磁性材料在新能源领域有着广泛的应用。
能源资源科学概论第二章第三节 煤炭.ppt
中国煤炭资源分布面广，除上海市外，全国各 省、市、自治区都有不同数量的煤炭资源。
在全国2100多个县中，1200多个有预测储量， 已有煤矿进行开采的县就有1100多个，占60％ 左右。
按省、市、自治区计算，山西、内蒙、陕西、新 疆、贵州和宁夏6省区最多，这6省的保有储量约占 全国的81.6％。
煤炭资源的分布区域： 华北地区最多，占全国保有储量的49.25％； 西北地区（30.39％）； 西南地区（8.64％）； 华东地区（5.7％）； 中南地区（3.06％）； 东北地区（2.97％）。
陕西风翔高庄、马 家庄、大邑丘龙等地 春秋战国时期的古墓 中。
西周国都丰镐遗址出土的炭精环
河南陕县出土的东汉炭精小羊 四川奉节出土的西汉炭精发饰
陕西西安出土的东汉 炭精耳珰
甘肃嘉峪关出土的晋 代煤精猪
四川昭化出土的南北朝炭精狮
新疆高昌故城出土的唐代煤精方盒（a） 盒内装的波斯萨珊王朝银币（ b）
（1）泥炭
煤化最浅的可燃矿物，其含碳量约为55％～60 ％，氧含量约为30％，在干燥情况下很容易燃烧。 另外泥炭中含有大量腐殖酸类物质，经过加工， 可以作农作物肥料和生长激素。
（2）褐煤
泥炭进一步煤化的产物，很容易燃烧，适宜于 作为发电燃料，也可用于气化，生成合成原料气 或城市煤气。
（3）烟煤
煤化较深的品种，其挥发分含量达10％～15％， 容易燃烧；燃烧时会发出较长的火焰和黑烟，故称 烟煤。是世界上储量最多，用途最广的煤种。陈供 燃烧外，还大量用于焦炭的冶炼、煤气化和化学工 业。
中国的炼焦用煤一般为中灰、中疏煤，低灰和 低硫煤很少。
真龙被困关门窑，
过街塔下好心焦。
血染煤石传圣旨，
快快还我大清朝。
能源材料第二章
2.3.2 燃料电池的原理与特点
▪ 供给燃料极的氢气，在电极 上铂的催化作用下，释放出 电子形成氢离子。氢离子通 过电解质向空气极移动。电 解质具有只能通过离子而不 能通过电子的性质，所以， 释放出的电子只能在外部电 路中移动。当氢离子到达空 气极后，与空气极上的氧气 以及从外部电路移动过来的 电子结合形成水。
2.2 储氢材料
▪ 如果采用储氢材料吸储氢并保存氢，一个更重要的 优点就是当释放氢气时，氢气的纯度可达 99.9999% 。与传统高压氢气和液态氢相比，储氢 材料的技术具有如下优点：
→ ①设备紧凑，便于储存和运输； → ②不需要高压或绝热措施，易操作； → ③储氢条件容易实施，安全； → ④能长期保存； → ⑤可释放高纯度氢。
生物质气化法制氢
▪ 生物质含有大量的碳氢化合物，在高温惰性 气氛和催化剂作用下可使生物质气化，产生 含有氢气的气体燃料，经过分离后得到氢。
电解水制氢
热解制氢
▪ 将热能直接加给水或含有催化剂的水，使水 受热分解为氢和氧。由于水分解的自由能只 有在温度高于2727℃时才急剧减小，即在高 于此温度下制氢才能达到实际应用的制氢效 率。
蒸汽转化法
▪ 利用天然气等碳氢气体燃料为原料，通过蒸 汽的催化转换来制取氢的方法称为蒸汽转化 法。
不完全燃烧法
▪ 在蒸汽参与和氧压不足的条件下，将重油或 煤进行不完全燃烧获取氢的工艺。
水煤气法
是在1000℃左右的高温下，利用水蒸汽与煤反 应来获得氢。
化工尾气或过程气制备液氢
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烃类氧化重整制氢 烃类氧化重整制氢反应在同一反应床层中进行,中国科 学院大连化学物理研究所对该项目进行了大量理论和实 验研究,并取得了突破性进展。
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该方法原理是:首先要把汽油变成合成气(CO + H2) , 合成气经分离提浓制得氢气。合成气分离提纯氢气 有物理提纯法和化学提纯法,前者采用变压吸附、膜 分离等,后者通过CO和水蒸气进行高/ 低温变换成 CO2 和H2 ,进一步除去CO2 即得纯氢。
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生物制氢技术为一种符合可持续发展战略性课题,已 引起德国、日本、美国、俄罗斯、英国等世界经济强 国的重视。日本、美国等为此成立了专门机构,建立 了生物制氢规划,进行生物制氢的基础性和应用性研 究,将在21 世纪中叶使该技术实现商业化生产。日本 能源部主持的氢行动计划中,确立的最终目标是建立 一个世界范围的能源网络,以实现氢的有效生产、运 输和利用,时间为1993～2020 年。
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生物制氢
生物制氢设想首先是由Lewis 于1966 年提出,以后一些 国家开始研究,但至今生物制氢技术还很不成熟,大多数 研究都着眼于纯菌种及细胞固定化技术,如产氢菌种的筛 选及包埋剂的选择,而菌种也只限于光合细菌,至今在基 础理论和应用技术方面均无突破。
20 世纪90 年代,以厌氧活性污泥和碳水化合物为原料, 利用发酵法生物制氢,突破了生物制氢必须用纯菌种和固 定化技术的局限,开辟了一条利用非固定化菌种生物制氢 的新技术,使我国的生物制氢技术处于世界领先地位。
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其他方法制氢 ①20 世纪50 年代, Schlesinger 等利用催化剂, 使硼氢化钠(NaBH4) 在碱性水溶液中水解产生氢气 和水溶性亚硼酸钠(NaBO2) ,反应式如下:
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该法优点是原料硼氢化钠溶液不燃,储运和使用安全,制 得的氢气纯度高,可直接作为质子交换膜燃料电池的原 料,催化剂可循环使用,常温下甚至0 ℃下仍可生产氢气, 无污染,但目前还有若干技术障碍,尚不能实用化。
水电解法制氢,选择合适的电极是关键。非晶态合金具 有高机械强度、优异的抗腐蚀性和独特的晶态结构,是 一种优良的电极材料 。在用非晶态合金制备的电极 中,Fe60Co20 Si10B10具有较低的超电压,较高的释放 氢活性,优于多晶体的铂和镍。电解水较好的电极组合 是Fe60 Co20 Si10B10作阴极,Co50Ni25Si15 B10 作 阳极, 比Ni/ Ni 电极组合节约能量10 %。
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甲醇蒸气转化制氢反应温度较低( 260 ～ 280℃) , 与同等规模的天然气或轻油转化制氢装置相比,可 节约能量50 %;与同等规模的水电解制氢装置相比, 成本为其33 %～50 %。该法的另一优势是原料甲醇 易得且储运方便,受地域限制较少,适于中小制氢用 户使用。
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氨分解制氢 氨气在催化剂存在下,温度高于50 ℃时即可分解 为N2 和H2 。其反应式为:
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制氢方法 制氢方法较多,有物理制氢法、化学制氢法和生 物制氢法,但目前能够工业化的制氢方法还只有 化学制氢法。
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水电解制氢 水电解制氢工艺是很古老的制氢方法,目前国内外对 此技术已较成熟,设备已成套化和系列化,如国内生产 的各种规模水电解制氢设备可满足用户2～200m3/ h (标准) 氢气需求。
液态储氢 由于氢气沸点极低( - 252. 77 ℃) ,能耗大,成本 高、储氢设备材质要求很高,操作和使用条件苛刻, 大都用于火箭、飞船和卫星发射等高科技领域
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②从富氢的工业尾气中回收氢气,如合成氨装置弛放 气、乙烯装置的排放气等都含有丰富的氢气,可采用 变压吸附、膜分离等方法加以回收。 电解熔融盐KF·2HF 制氟时,阴极副产质量分数85 % 的氢气,可采用冷源将质量分数15 %的HF冷凝下来,或 用NaF 将HF 吸收,以回收纯度较高的氢气。
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甲醇蒸气转化制氢
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目前甲醇法国、丹麦等国已开发了自己的甲醇蒸气转化 制氢技术,在世界各地建设了许多中小型制氢装置。中国 石化集团齐鲁石化研究院也成功地开发了甲醇蒸气转化 制氢技术及双功能催化剂QMH201 ,采用该技术建成的1 000 m3/ h (标准)制氢装置已于1995 年底投产 。
储氢材料 随着传统能源石油、煤日渐枯竭,且石油、煤燃烧 产物CO2 和SO2 又分别产生温室效应和酸雨,使人类 面临能源、资源和环境危机的严峻挑战,寻找新的洁 净能源已列入人们的议事日程。
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氢是一种洁净能源,已受到人们的充分重视 。但 要把氢作为新能源,还有许多事情要做,必须解决 氢的储存和运输问题,寻找高效节能的制氢方法和 研制经济适用的储氢材料很有必要。
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优点 工艺较简单,可完全自动化,操作方便,其氢气纯度较高 (一般可达99 %～99. 9 %) 。
缺点 耗电量较高,一般不低于5kW·h/ m3 (标准) 。理论上 1. 229V 的电压就可以进行水电解,实际上由于氧和氢 的生成过程中存在超电压及其他因素,水电解所需的电 压要比理论值大得多。
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氨气分解制氢所用催化剂一般为镍或铁,其工艺过程为: 液氨经预热、蒸发变为气氨,在约800 ℃下催化分解成 氢气和氮气,分解气经吸附净化后(脱除氨和水) 制得 高纯氮氢混合气。如需纯氢,则可配套气体分离设备。
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该法的优点是比水电解法制氢能耗低40 %以上(水电 解制氢的能耗为73. 4 kJ / m3 ,氨分解制氢的能耗 为42. 7 kJ / m3) ,但其缺点是明显的:一是反应温 度高(约800 ℃) ,对反应器和换热器等材质要求较 高;二是液氨储存需用压力容器,且氨气属易燃易爆 品。
在水电丰富的地方,可采用水电解法制氢; 中小企业制氢,可考虑甲醇蒸气转化法; 有烃类原料的石化单位应采用烃类氧化重整制氢技术; 生物制氢今后应大量投入,争取在理论研究和应用技术 方面有较大实破。
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储氢材料 储氢方法大致分为5 种 液态储氢 高压储氢 有机化合物储氢 金属化合物储氢 和吸附储氢
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