能源材料PPT

太阳能电池材料： 目前，用来产生光伏效应的材料只 有半导体材料。制作太阳电池的半导体 材料有元素半导体、化合物半导体和各 种固溶体。
实际上，在半导体中可利用各种势垒（如pn结等） 来形成光伏效应。P型半导体为空位导电，n型半导 体为电子导电。
无光照时，在扩散作用下，n区的过剩自由电子向 p 区扩散，使其带负电， p 区的过剩空位向 n 区扩散， 使其带正电，pn结两边形成电位差，即内建电场 — 势垒电场，内建电场阻止载流子通过pn结进一步扩 散，从而造成平衡状态。 在光照下，大于一定能量的光子，在p区和n区会 激发产生光生载流子，即电子和空位对。它们扩散 到 pn 结附近时受到内建电场作用，电子驱向 n 区， 空穴驱向 p 区，使得 n 区有过剩的电子， p 区有过剩 的空位。这样，pn结附近又形成一个与内建电场方 向相反的电场 — 光生电场，即p区和n区之间产生 光生伏特电动势，从而形成光伏效应。
我们知道，原电池所能够发出的最大电能是参 入电化学反应的化学反应的化学物质完全反应时 所产生的电能，当全部的反应物质消耗完毕以后， 原电池就不再发电了。 但是对于燃料电池来讲，如果不考虑元件的老 化和故障等因素（燃料电池有一定的寿命），只 要不断地向燃料电池提供燃料和氧化剂，燃料电 池就能够连续不断地发出电力。
1.1.1.2 电极粘结剂
电极常用的粘结剂一般都是高分子化合物，如
聚乙烯醇（PVA），聚四氟乙烯（PTFE），羧甲基 纤维素（CMC）等。 1.1.1.2 化学电源用隔膜 化学电源用的隔膜材料有天然或合成的高分子 材料，无机材料等。根据原料特点和加工方法不同， 可将隔膜分成有机材料隔膜，编织隔膜，毡状膜，
1.4.4 燃料电池
在上一次课中，我们讲了能源材料之一 —— 原电池的情况，今天我们介绍燃料电池、光—电 转换、热—电转换材料的情况。
原电池和燃料电池都属于电池，但是实际上 它们具有很大的区别：原电池是能量储存装置， 而燃料电池则是能量转换装置，它需要不断地通 入燃料（在阳极，即负极）和氧化剂（在阴极， 即正极），将氧化反应的化学能直接转换为电能， 燃料电池所用的氧化剂一般为氧气或空气。
燃料电池按照工作温度的高低可以分为 低温燃料电池[包括氢 - 氧、有机物 - 氧、 氮化物（氨、肼等）- 氧、金属 - 氧、氢 卤素、金属 - 卤素等型式的燃料电池]、中 温燃料电池（包括氢 - 氧、有机物 - 氧、 氨 - 氧）、高温燃料电池（包括氢 - 氧、 CO - 氧）、超高温燃料电池。它们所对应的 工作温度范围分别为25℃ ~ 100℃；100℃ ~ 500℃；500℃ ~ 1000℃和1000℃以上。
单个燃料电池的工作电压大约0.7V，为了获得 实际需要的电压，需将几个、几十个甚至几百个燃 料电池连接起来，组成所谓的电池堆。在电池堆中， 两个相邻的燃料电池通过一个双极板。双极板的一 侧与前一个燃料电池的阳极相连，另一侧与后一个 燃料电池的阴极相连。
燃料电池的优点是： 具有高效率、高可靠性、良好的环境效益、 良好的操作性能、发电计划和容量调节的灵活性。 燃料电池还存在的问题和制约发展的因素： ① 市场价格昂贵； ② 高温时寿命以及稳定性不够理想； ③ 燃料电池技术不够普及；
1.4 各类电池的简介
1.4.1 一次电池 在化学电源中，一次电池的历史最为悠久，产 量最大，应用最为广泛。这种电池不能用简单的方 法再生，不能充电，用后要废弃。 典型的一次电池有锌-锰电池——包括传统的勒 克郎谢电池、纸板电池、碱性锌-锰电池、无汞锌锰电池，锌-氧化汞电池、锌-空气电池。
1.4.2 二次电池
目前最有希望大量应用的是硅太阳电 池，单晶硅太阳电池的光电转换效率高， 但材料价格较贵。多晶硅太阳电池效应达 到13%，半导体GaAs的转换效率可达20% ~ 28%，太阳电池的转换效应与结构有关。 除此以外，还有一些固溶体，主要有 GaAlAs、GaInP、InGaAs、CuInGaSe2、 SiGe、SiC等，这些固溶体的物理性能随 固溶体的组成比例而变化。因此可以利用 这一特点调整参数，以满足太阳能电池的 要求。
这五大类燃料电池的主要特性与用途。
电池类型_简称 AFC 电解质 KOH
PAFC 磷酸
MCFC Li2CO3-K2CO3
SOFC YSZ
PEMFC PEM
电解质形态
阳极 阴极 工作温度，℃ 应用 领域
源自文库液体
Pt/Ni Pt/Ag 50 ~ 200
液体
Pt/C Pt/C 60 ~ 80
液体
Ni/Al，Ni/Cr Li/NiO 150 ~ 220
我们将学习几种有代表性的电池材料。 关于一次电池涉及到锌-锰干电池、碱性锌锰电池、锌-汞电池、镉-汞电池、锌-银电池、碱 性锌-空气电池、锂电池、锂离子电池、一些固 体电解质电池（银-碘电池）。
关于二次电池涉及到铅酸蓄电池、镉 - 锰电 池、氢-镍电池、金属氢化物-镍电池（MH-Ni电 池）、固体电解质电池（钠-硫电池）、锂电池、 锂离子电池、一些固体电解质电池。
隔膜纸和陶瓷隔膜等。
1.1.1.3 封口剂 电池封口剂有环氧树脂，沥青，松香等。
1.1.5 电池组（电池堆）
当需要电池输出高电压或大电流时，可以 将若干个电池通过串联、并联、复联的方式组 成电池组（电池堆）来使用。
1.2 化学电源的分类
一次电池又称为原电池，如果原电池中电解不 流动，则成为干电池，由于电池反应本身不可逆， 或可逆反应很难进行，所以一次电池放电后不能充 电再用。 二次电池，习惯上又称为可充电电池或蓄电池， 它是充、放电过程能够反复多次循环使用的一类电 池。 燃料电池又称连续电池，它是将活性物质 （燃料）连续注入电池，使其连续放电的一种电池。 储备电池又称为激活电池，这类电池的正负极 活性物质在储存期不直接接触，使用前临时注入电 解液或用其它方法使电池激活。
固体
Ni/YSZ Sr/LaMnO3 ~ 650
固体
Pt/C Pt/C 900 ~ 1050
航空、航天， 共发电，机动车， 共发电 机动车 轻便电源
共发电 共发电，机动车 便携式电源
注： ① YSZ是氧化钇稳定的氧化锆； ② PEM是质子交换膜的简称，目前常用的有美国杜邦（Du Pont）公司的 Nafion膜和道尔（Dow）公司的Dow膜。
燃料电池的种类很多，关于燃料电池的分类 也有很多种：
其基本分类有两种：直接燃料电池和非直接燃料电 池。 直接燃料电池是直接利用通入的燃料来发电。直接 燃料电池也有直接型（一次电池，反应产物被排放掉） 和再生型（二次电池，利用热再生、充电再生、光化 学再生、放射化学再生的方法将反应产物再生为反应 物）。 非直接燃料电池是指所通入的燃料并不被燃料电 池直接使用，需要进一步加工处理，其产物才能够被 燃料电池所使用。它也有两种类型；一种是“重整型” 燃料电池，是指对有机燃料加工使其转变为氢气，而 后被燃料电池直接使用；另一种是“生化型”燃料电 池，生化物质在一些酶的作用下转换为氢气，而后被 燃料电池直接使用。
能 源 材 料
“ 化学能 — 电”转换材 料 （各类化学电池） “光 — 电”转换材料 “热 — 电”转换材料 储能材料
一次电池 可充电电池 （二次电池）
燃料电池 储备电池 （激活电池）
1 “化学能 — 电”转换材料 （化学电源） “化学能 — 电”转换材料， 也叫做“化学电源”或“电池” 是一种能量转换装置。放电时， 化学能转变为电能，充电时,电 能转换为化学能储存起来，一次 电池的反应不可逆的，二次电池 的反应是可逆的。
二次电池以铅酸蓄电池 、镉-镍电池、 氢-镍电池 为其典型代表，此外固体电解质 电池、锂电池、锂离子电池是非常有前途 的三类二次电池，尤其是锂电池、锂离子 电池既可以作为一次电池，也可以作为二 次电池，最有发展前途。
1.4.3 激活电池
又称“贮备电池”，电池正负极活性 物质和电解质在贮存期间不直接接触。激活 电池在使用前处于惰性状态，使用时借助动 力源作用于电解质，使电池激活，激活方式 有气体激活，液体激活和热激活，一般来说， 激活电池能够贮存几年甚至十几年。
按照电解质的不同，燃料电池又可以分为五大
类：碱性燃料电池（简称AFC，Alkaline Fuel Cell）、磷酸燃料电池（简称PAFC，Phosphorous Acid Fuel Cell）、熔融碳酸盐燃料电池（简称 MCFC，Molten Carbonate Fuel Cell）、固体氧化 物燃料电池（简称SOFC，Solid Oxide Fuel Cell）、 质子交换膜燃料电池（简称PEMFC，Proton Exchange membrane Fuel Cell）。另外，关于直接 甲醇燃料电池（简称DMFC，Direct Methanol Fuel Cell）由于它所使用的电解质是质子交换膜，所以 人们一般将它归类为质子交换膜燃料电池。下表是
隔膜的作用是防止正、负极活性物质的直 接接触，防止电池内部的短路。隔膜的形状薄 膜、板材、棒材等。
外壳是电池的容器，在化学电源（电池） 中，除了锌锰干电池是以锌电池（负极）兼作 外壳以外，其它电池都有独立的外科，外壳要 求机械强度高、耐针对、耐冲击、耐腐蚀、耐 温度的变化。
1.1.1 电极类型及结构
1.1 化学电源的结构
化学电源（电池）主要是由电极（包括 电极粘结剂）、电解质、隔膜以及外壳（包 括电池封口剂）所组成。
电极是电池的核心部分，它是由活性物 质和导电骨架所组成。活性物质是指正、负 极中参加成流反应的物质，是决定化学电源 基本特性的重要部分。
电解质在电池内部正、负极之间担负着 传递电荷的作用，要求比电导高，电压降要 小。电解质有液体电解质和固体电解质之分。
④ 没有完善的燃料供应体系。
2 太阳能电池
（光-电转换材料）
太阳能电池是利用太阳光与材料相 互作用直接产生电能的。太阳电池发电 是基于光伏效应（或称作“光生伏打效 应”或“光电效应”，Photovoltaic Effect）。具体来说，就由太阳光的光 量子与材料相互作用能够产生光生载流 子。当将所产生的电子 — 空位对依靠半 导体内形成的势垒分开而到达两极时， 两极之间就会产生电势差，这就是光伏 效应。
电极是电池的核心。一般电极都是由三部 分组成，一是参加成流反应的活性物质；二
是为改善性能而加入的导电剂；三是少量的
添加剂，如缓冲剂等。 化学电源常用的电极有片状、粉末多孔 状和气体扩散电极等几种。
片状电极是由金属片或板直接制成，锌-锰干电 池以锌片冲成圆筒作负极，锂电池的负极用锂片。 粉末多孔电极的应用极广，因为电极呈现多孔 状时，其直接表面积大，电化学极化和浓差极化小， 不易钝化。电极反应在固—液界面上进行，充、放 电过程中生成的枝晶少，可以防止电极间的短路。 气体扩散电极是粉末多孔电极在气体电极中的 应用。电极的活性物质是气体。气体电极反应在电 极微孔内表面形成的气—液—固三相界面上进行。 目前工业上已经得到应用的气体扩散电极是氢电极 和氧电极。典型的电极结构有：双层多孔电极（培 根型电极）、防水型电极、隔膜型电极等。
二次电池及其电池组常用于较大功率放电， 汽车启动、照明、点火、应急电源人造卫星、 宇宙飞船。此外，二次电池组在电动车辆动力 方面也显示出了广阔的应用前景。 燃料电池适合于长时间连续工作的场合， 可以用于电动车辆的动力，也可以作为发电厂 的发电装置，据介绍，美国的 NASA 曾经成功 地将燃料电池应用于阿波罗飞船的登月飞行和 载人航天器中。 储备电池可用作导弹的电源、心脏起搏器 的电源等。
关于燃料电池涉及到碱性燃料电池（AFC）、 磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池 （MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子 交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇（DMFC） 燃料电池。
关于储备电池涉及到热激活电池、水激活电池。 具体有锌-银电池、镁-银电池、铅-高氯酸电池等。
1.3 化学电源的应用 化学电源具有能量转化效率高、方便、安全 可靠等优点，所化学电源被广泛地用于工业、军 事及日常生活之中。 一次电池常用于低功率和中等功率的放电 . 这种电池外形多为圆柱形、钮扣式、扁形，常以 单体或电池组的形式用于各种便携式电器和电子 设备。圆柱形电池广泛用于照明、信号、报警装 置、收音机、收录机、计算器、电动剃须刀、吸 尘器等家庭生活用品上；钮扣式电池用于手表、 计算器、电子词典等物品；薄形电池用作CMOS 电路记忆储存电源等。此外，一次电池还广泛用 于军事便携通讯、雷达、气象和导航仪等。