7新能源材料_-_上海理工大学课程中心展示系统

20世纪70年代美国有一个异想天开的 计划，就是在同步人造卫星上装两个 16km2的电池板和聚光系统，将所获电能 用微波传到地面。由于在大气层外阳光强度 比地面高1.4倍，又不受气候影响，据估计， 由此得到的电能成本可与常规电能相比。但 是，除了材料和技术问题以外，是否造成环 境污染还需要论证。
尽管太阳能利用成本较高，在某些 日照时间长、居民分散度大的地区建立 太阳能电站还是有意义的，因此发达国 家都在积极开发太阳能，如美国“百万 屋顶计划”，德国 “十万屋顶”计划及 日本 “1600个屋顶” 太阳能电池系统 等。我国西部地区日照好、居民分散， 适合发展太阳能。
1958年3月17日，美国首次在“先锋一 号卫星”上用单晶硅太阳能电池提供电源。 但功率小得可怜，只能供一个5毫瓦的无线电 辅助发射机的用电。以后，全世界数以千计 的卫星上几乎都装太阳能电池，功率也逐步 增加，有的高达几十到上百千瓦。我国1990 年9月3日发射的气象卫星上，也采用了半导 体太阳能电池。
新能源材料
上海理工大学材料学院 2011.09
新能源材料
办公地点：材料楼302室
Tel： 55271689
E-mail:
教材：
zhtang@
新能源材料，天津大学出版社
参考书与参考文献
《新能源概论 》——王革华编，化学工业出版社
《新能源与可再生能源概论》——苏亚新编，化学工业出 版社
太阳能电池
研制高效、长寿、廉价的光伏转换材料 已成为目前能源新材料领域的重要课题。 当前非晶硅薄膜的最高转换效率为 12.7％ ，理论上可达24％，缺点是稳定 性较差；多晶硅为17.7％；单晶硅为28.7 ％，G a As及G a I n P可高达25％~30％。 据报道，美研制出氮化镓铟高效太阳能电池 可吸收50%以上能量。
l公斤氢化锂可以释放出2800升的氢气， 因此一个氢化锂丸释放出的氢气，足以使救 生船、救生衣一类的救生器具充气膨胀，安 全地漂浮在水面上。 这种氢化锂丸其实就是 贮氢材料，但它的储氢过程复杂，且只能一 次性使用，氢释放后，锂本身很活泼，会立 即吸收大量空气，无法第二次吸氢，因此后 来很少应用。
新能源材料
Nobel laureate R. Smalley : 能源枯竭 环境污染
两大挑战？
Chemistry Letters 2005,34(1):8-13
1.1 能源危机
全球化石燃料总量不断减少。
石油，天然气，煤 … …
1.2环境污染
对人类未来的发展构成威胁。每年排放的二氧化碳呈上升趋势，全 球气候变暖。空气中大量粉尘，酸雨，光化学烟雾……
目前，太阳能电池组成本为４~ 5美元/ 千瓦，估计要降到0.4美元左右才能在电价方 面与常规发电（6 ~ 11美分/千瓦）有竞争 力。太阳能电池中，材料费可达60% ~ 80 %。因此，发展厚度仅1 ~ 2μm的非晶薄 膜（相对于50 μm的多晶硅膜 ）对节约材 料和费用具有显著的意义。近年来正在研制 便于大规模制造的燃料纳米半导体材料及有 机光伏转换薄膜。
另一种是采用液氢贮氢的方式，将氢气降温到-
253℃变为液体进行贮存；氢气液化的费用非常昂贵，它 几乎相当于三分之一液氢的成本；而且，液氢的贮存容形 异常庞大（占去汽车内的有限空间），需要极好的绝热装 置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化而避免浪费。以
上诸多的原因，使得以氢气作为汽车动力燃料的应用一直
《新能源与可再生能源技术》 ——李传统编，东南大学出 版社
《新能源:后石油时代的必然选择 》——钱伯章编，化学 工业出版社 新近的文献（部分自己查阅，部分分发给大家）
教学任务和目标
1.本课程是一门材料科学与工程专业学科门类教育层次的专业选修课。 通过课堂讲授，学习互动，获得新能源材料方面的基本理论和基本知 识。 2.通过本课程教学，掌握能源在国民经济和社会发展中的地位和作用， 了解能源结构与发展现状，拓宽对常用的新能源材料的认识，了解最 新的各种新能源材料的研究现状。 3.培养独立分析问题、解决问题能力。培养自学能力。
在1960年，荷兰菲利浦公司研制出吸氢 能力最强的贮氢材料：镧镍系列吸氢合金， 但成本很高，竞争不过汽油，这种合金仅仅 作为一种战略储备。如德国的奔驰汽车公司 制成了载有代替油箱的铁钛系吸氢合金的氢 发动机，他们的打算是：一旦汽油紧张，就 推出以氢为燃料的奔驰汽车。
1974年，日本大阪守口市松下电器公司中央 研究所发生一起怪事：一个氢气瓶前一天晚上还储 有10个大气压的氢气，到第二天早上，压力却降 低到不足1个大气压。经仔细检查，氢瓶并没有漏 气。查来查去，原来问题出在制造气瓶的材料上。 气瓶制造厂知道钛锰合金强度高，耐压保险，就用 它装氢气。谁料它有很强的吸氢能力，把瓶内的大 部分氢气吸进瓶壁里去了。 真所谓“踏破铁鞋无 觅处，得来全不费功夫”。
信息技术的发展，特别是移动通信及笔 记本计算机等的迅速发展，迫切要求电池小 型化、轻型化、长的服务时间、长的工作寿 命和免维护技术。 为了真正解决汽车尾气污染，发展零排 放电动车辆的呼声愈来愈高，极大地推动着 高比热能量、长寿命二次电池技术的发展。
全世界天然能源正在不断消耗，终将枯 竭，寻求新能源的呼声愈来愈高。
汽车要使用氢燃料作为动力，其关键技 术环节有两个，一是贮氢技术，二是燃料电 池技术。 传统的贮氢方法有两种，一种是采用压 缩贮氢的方式，用高压钢瓶（氢气瓶）来贮 存氢气；钢瓶贮存氢气的容积很小，即使加 压到l50个大气压，瓶里所装氢气的质量还不 到氢气瓶质量的1%，而且还有爆炸的危险。

新能源与新材料 新材料把原来已经使用的能源变成新能源。 例如：半导体材料把太阳能有效地直接转 变为电能，有别于人们利用太阳的烘烤； 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温（热能）。
一些新材料可提高储能和能量转化效果。 金属氢化物镍电池、锂离子电池等都是依 靠电极材料的储能效果和能量转化功能而
教学计划
1.教学时数：32学时 2.成绩确定： 章节论文 大综合论文 期末考试 3.考试时间：第20周 4.考试内容：课堂讲课内容为主
本 课 程 教 学 内 容

第1篇 储能材料 第1章 储氢材料 第2篇 新型二次电池材料 第1章 新型二次电池概述 第2章 金属氢化物镍电池材料 第3章 锂离子电池材料 第3篇 燃料电池材料 第1章 燃料电池现状与未来 第2章 质子交换膜型燃料电池材料 第3章 熔融碳酸盐燃料电池材料 第4章 固体氧化物燃料电池材料 第4篇 太阳电池材料 第1章 太阳电池材料概述 第2章 晶体硅太阳电池材料 第3章 非晶体硅太阳电池材料 第4章 II-VI族多晶薄膜太阳电池材料 第5章 III-V族化合物太阳电池材料 第5篇 核能材料
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。但风能
发电装置造价较高。
美国不同能源发电的成本
7.4 贮氢材料
氢气成本低且效率高，在能源日益显现不足和
燃油汽车造成人类生存环境极大污染的今天，以氢 燃料作为汽车燃料的呼声不断高涨。世界四大汽车 公司，美国的通用和福特，日本的丰田，德国的戴 姆勒—奔驰，都在加快研制氢燃料汽车的步伐。
人类社会对能源的需求持续增长，能源需求结构也在发生
变化，与此同时人类又面临着矿物能源环境污染和枯竭的 难题，这一切都激励着新能源的出现和发展。
太阳能、氢能、核能、生物能、风能、地热、海洋能等被
认为是新能源，但它们必须依靠新材料的开发与应用才能 得以实现，并进一步提高效率、降低成本 。 新能源材料就是用于新能源生产、转换和应用所需的材料。
100种以上的储氢合金申请专利。这些储氢合金
吸收的氢气可以为不同的机械或电器提供能源，
例如为汽车、热泵、空调设备、无噪声的动力转
换设备、燃料电池等。
新型二次电池
简介
一次电池使用后，回收不及时或处理不当， 常随普通垃圾一起被丢弃或被填埋，造成资源浪 费，同时电池中的重金属元素的泄漏也污染了当 地的水体和土壤。因此，开发二次新型电池是必 要的。
7.3 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，我 国沿海与西北地区的风力资源丰富，大有 作为，但风车材料是关键。
－个2.5MW的风车，转子叶片直径要 80ｍ，包括传动箱的总重达30t；风车高近
百米，用材几百吨。风车叶片要有足够的强

在70年代，由于中东地区对西方国家实 行石油禁运，发生了空前的能源危机。于是，
贮氢材料的研究成了热门课题。而日本作为
能源最短缺的发达国家，对此尤其重视。这
也成为日本是每年申请贮氢合金专利最多的
国家的原因。

现在，全世界已研究出的储氢合金，除钛锰
合金外，还有镁镍合金、镁铜合金、铝锰合金、
锆铬合金和各种含稀土的储氢合全。每年都有
镍氢二次电池
1984年实现了利用储氢合金材料作为负极材料制 造出首批Ni／MH电池。美国、日本等国竞相研究 开发储氢合金材料和Ni／MH电池。我国也建成了 数家年产数百吨储氢合金材料和千万只Ni／MH电 池的大型企业。由于Ni／MH二次电池负极材料中 要使用大量稀土元素，而我国的稀土资源十分丰富， 其储量位于世界前列，为我国发展Ni／MH电池打 下了良好的基础。
常用的二次电池的原理是通过充、放电过程实 现的，即放电时通过化学反应可以产生电能，而施 加反向电流时则可使体系回复到原来状态，即将电 能以化学能形式重新储存起来的新型电池，它的充、 放电反应是可逆的。新型的二次电池对环境的污染 较小，可循环使用，性能优良，避免了一次电池的 上述弊病。这些优势是导致二次电池迅速发展的主 要原因推动力，相关背景还有：
发展起来的新型二次电池。
新材料决定了核反应堆等新能源的安全。 材料工艺决定着新能源的成本。