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3 新能源材料的任务及面临的课题
为了发挥材料的作用，新能源材料面临着艰巨 的任务。作为材料科学与工程的重要组成部分，新 能源材料的主要研究内容同样也是材料的组成与结 构、制备与加工工艺、材料的性质、材料的使用效 能以及它们四者的关系。结合新能源材料的特点， 新能源材料研究开发的重点有以下几方面:
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2 材料的作用
(1)新材料把原来习用已久的能源变成新能源。 例如从古代起，人类就使用太阳能取暖、烘干 等，现在利用半导体材料把太阳能有效地直接 转变为电能。再有，过去人类利用氢气燃烧来 获得高温，现在靠燃料电池中的触媒、电解质， 使氢与氧反应而直接产生电能，并有望在电动 汽车中得到应用。
(2)一些新材料可提高储能和能量转化效果。 如储氢合金可以改善氢的存储条件，并使化学 能转化为电能，金属氢化物镍电池、锂离子电 池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功 能而发展起来的新型二次电池。
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5)延长材料的使用寿命
现代的发电技术、内燃机技术是众多科学家 与工程师在几十年到上百年间的研究开发成果。 用新能源及其装置对这些技术进行取代所遇到的 最大问题是成本有无竞争性。从材料的角度考虑， 要降低成本，一方面要靠从上述各研究开发要点 方面进行努力；另一方面还要靠延长材料的使用 寿命。这方面的潜力是很大的。这要从解决材料 性能退化的原理着手，采取相应措施，包括选择 材料的合理组成或结构、材料的表面改性等；并 要选择合理的使用条件，如降低燃料中的有害杂 质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一个明 显的例子。
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4.1.3 电解质材料
研究集中在非水溶剂电解质方面，这样可 以得到高的电池电压。重点是针对稳定的正负 极材料调整电解质溶液的组成，以优化电池的 综合性能。还发展了在电解液中添加SO2和CO2 等方法以改善碳材料的初始充放电效率。三元 或多元混合溶剂的电解质可以提高锂离子电池 的低温性能。
新能源材料技术
主讲： 朱 继 平 E-mail : jpzh@ustc.edu.cn 合肥工业大学材料科学与工程学院
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绪论
• 新能源与新能源材料 • 材料的作用 • 新能源材料的任务及面临的课题 • 一些新能源材料的主要进展
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1 新能源与新能源材料
新能源的出现与发展，一方面是能源技术本身发 展的结果，另一方面也是由于这些能源有可能解决资 源与环境问题而受到支持与推动。太阳能、生物质能、 核能(新型反应堆)、风能、地热、海洋能等一次能源 和二次能源中的氢能等被认为是新能源，其中氢能、 太阳能、核能是有希望在2l世纪得到广泛应用的能源。 新能源的发展一方面靠利用新的原理(如聚变核反应、 光伏效应等)来发展新的能源系统，同时还必须靠新材 料的开发与应用，才能使新的系统得以实现，并进一 步地提高效率、降低成本。
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3)安全与环境保护
这是新能源能否大规模应用的关键。例如， 锂电池具有优良的性能，但由于锂二次电池在 应用中出现过因短路造成的烧伤事件，以及金 属锂因性质活泼而易于着火燃烧，因而影响了 应用。为此，研究出用碳素体等作负极载体的 锂离子电池，使上述问题得以避免，现已成为 发展速度最快的二次电池。另外有些新能源材 料在生产过程中也会产生三废而对环境造成污 染；还有服务期满后的废弃物，如核能废弃物， 会对环境造成污染。这些都是新能源材料科学 与工程必须解决的问题。
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1)研究新材料、新结构、新效应以提高能量 的利用效率与转换效率
例如，研究不同的电解质与催化剂以提高 燃料电池的转换效率，研究不同的半导体材料 及各种结构(包括异质结、量子阱)以提高大阳 电池的效率、寿命与耐辐照性能等。
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2)资源的合理利用 新能源的大量应用必然涉及到新材料所需 原料的资源问题。例如，太阳电池若能部分地 取代常规发电，所需的半导体材料要在百万吨 以上，对一些元素(如镓、铟等)而言是无法满 足的。因此一方面尽量利用丰度高的元素，如 硅等；另一方面实现薄膜化以减少材料的用量。 又例如，燃料电池要使用铂作触媒，其取代或 节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源 发展到一定规模时，还必须考虑废料中有价元 素的回收工艺与循环使用。
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(3)新材料决定着新能源的性能与安全性。新型核 反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐照材料。这些材 料的组成与可靠性对反应堆的安全运行和环境污 染起决定性作用。
(4)材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新 能源的投资与运行成本。例如，太阳电池所用的 材料决定着光电转换效率，燃料电池及蓄电池的 电极材料及电解质的质量决定着电池的性能与寿 命，而这些材料的制备工艺与设备又决定着能源 的成本。因此，这些因素是决定该种新能源能否 得到大规模应用的关键。
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4.1.2正极材料
目前使用的正极材料为LiCoO2。对此化 合物的晶体结构、化学组成、粉末粒度以及粒 度分布等因素对电池性能的影响进行了深入的 研究。为了降低成本，提高电池的性能，还研 究了一些金属取代金属钴。目前研究较多的是 LiMn2O4和LiFePO4，还在研究双离子传递型聚 合物正极材料。
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4)材料规模生产的制作与加工工艺 在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构 的优化是研究的重点，而材料的制作和加工常使 用现成的工艺与设备。到了工程化的阶段，材料 的制作和加工工艺与设备就成为关键的因素。在 许多情况下，需要开发针对新能源材料的专用工 艺与设备以满足材料产业化的要求。这些情况包 括：①大的处理量；②高的成品率；③高的劳动 生产率；④材料及部件的质量参数的一致性、可 靠性；⑤环保及劳动防护；⑥低成本。
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4 一些新能源材料的主要进展
Baidu Nhomakorabea4.1 锂离子二次电池材料 锂离子电池的发展方向为：发展电动汽
车用大容量电池；提高小型电池的性能； 加速聚合物电池的开发以实现电池的薄型化。 这些都与所用材料的发展密切相关，特别是与 正极材料、负极材料和电解质材料的发展有关 。
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4.1.1碳负极材料
最早使用金属锂作为负极，但由于此种电 池在使用中曾突发短路、使用户烧伤，因此被 迫停产并收回出售的电池，这是由于金属锂在 充放电过程中形成树枝状沉积而造成的。现在 实用化的电池是用碳负极材料，靠锂离子的嵌 入和脱嵌实现充放电的，从而避免了上述不安 全问题。通过堆不同碳素材料在电池中的行为 研究，是碳负极材料得到优化。
3 新能源材料的任务及面临的课题
为了发挥材料的作用，新能源材料面临着艰巨 的任务。作为材料科学与工程的重要组成部分，新 能源材料的主要研究内容同样也是材料的组成与结 构、制备与加工工艺、材料的性质、材料的使用效 能以及它们四者的关系。结合新能源材料的特点， 新能源材料研究开发的重点有以下几方面:
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2 材料的作用
(1)新材料把原来习用已久的能源变成新能源。 例如从古代起，人类就使用太阳能取暖、烘干 等，现在利用半导体材料把太阳能有效地直接 转变为电能。再有，过去人类利用氢气燃烧来 获得高温，现在靠燃料电池中的触媒、电解质， 使氢与氧反应而直接产生电能，并有望在电动 汽车中得到应用。
(2)一些新材料可提高储能和能量转化效果。 如储氢合金可以改善氢的存储条件，并使化学 能转化为电能，金属氢化物镍电池、锂离子电 池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功 能而发展起来的新型二次电池。
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5)延长材料的使用寿命
现代的发电技术、内燃机技术是众多科学家 与工程师在几十年到上百年间的研究开发成果。 用新能源及其装置对这些技术进行取代所遇到的 最大问题是成本有无竞争性。从材料的角度考虑， 要降低成本，一方面要靠从上述各研究开发要点 方面进行努力；另一方面还要靠延长材料的使用 寿命。这方面的潜力是很大的。这要从解决材料 性能退化的原理着手，采取相应措施，包括选择 材料的合理组成或结构、材料的表面改性等；并 要选择合理的使用条件，如降低燃料中的有害杂 质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一个明 显的例子。
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4.1.3 电解质材料
研究集中在非水溶剂电解质方面，这样可 以得到高的电池电压。重点是针对稳定的正负 极材料调整电解质溶液的组成，以优化电池的 综合性能。还发展了在电解液中添加SO2和CO2 等方法以改善碳材料的初始充放电效率。三元 或多元混合溶剂的电解质可以提高锂离子电池 的低温性能。
新能源材料技术
主讲： 朱 继 平 E-mail : jpzh@ustc.edu.cn 合肥工业大学材料科学与工程学院
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绪论
• 新能源与新能源材料 • 材料的作用 • 新能源材料的任务及面临的课题 • 一些新能源材料的主要进展
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1 新能源与新能源材料
新能源的出现与发展，一方面是能源技术本身发 展的结果，另一方面也是由于这些能源有可能解决资 源与环境问题而受到支持与推动。太阳能、生物质能、 核能(新型反应堆)、风能、地热、海洋能等一次能源 和二次能源中的氢能等被认为是新能源，其中氢能、 太阳能、核能是有希望在2l世纪得到广泛应用的能源。 新能源的发展一方面靠利用新的原理(如聚变核反应、 光伏效应等)来发展新的能源系统，同时还必须靠新材 料的开发与应用，才能使新的系统得以实现，并进一 步地提高效率、降低成本。
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3)安全与环境保护
这是新能源能否大规模应用的关键。例如， 锂电池具有优良的性能，但由于锂二次电池在 应用中出现过因短路造成的烧伤事件，以及金 属锂因性质活泼而易于着火燃烧，因而影响了 应用。为此，研究出用碳素体等作负极载体的 锂离子电池，使上述问题得以避免，现已成为 发展速度最快的二次电池。另外有些新能源材 料在生产过程中也会产生三废而对环境造成污 染；还有服务期满后的废弃物，如核能废弃物， 会对环境造成污染。这些都是新能源材料科学 与工程必须解决的问题。
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1)研究新材料、新结构、新效应以提高能量 的利用效率与转换效率
例如，研究不同的电解质与催化剂以提高 燃料电池的转换效率，研究不同的半导体材料 及各种结构(包括异质结、量子阱)以提高大阳 电池的效率、寿命与耐辐照性能等。
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2)资源的合理利用 新能源的大量应用必然涉及到新材料所需 原料的资源问题。例如，太阳电池若能部分地 取代常规发电，所需的半导体材料要在百万吨 以上，对一些元素(如镓、铟等)而言是无法满 足的。因此一方面尽量利用丰度高的元素，如 硅等；另一方面实现薄膜化以减少材料的用量。 又例如，燃料电池要使用铂作触媒，其取代或 节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源 发展到一定规模时，还必须考虑废料中有价元 素的回收工艺与循环使用。
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(3)新材料决定着新能源的性能与安全性。新型核 反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐照材料。这些材 料的组成与可靠性对反应堆的安全运行和环境污 染起决定性作用。
(4)材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新 能源的投资与运行成本。例如，太阳电池所用的 材料决定着光电转换效率，燃料电池及蓄电池的 电极材料及电解质的质量决定着电池的性能与寿 命，而这些材料的制备工艺与设备又决定着能源 的成本。因此，这些因素是决定该种新能源能否 得到大规模应用的关键。
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4.1.2正极材料
目前使用的正极材料为LiCoO2。对此化 合物的晶体结构、化学组成、粉末粒度以及粒 度分布等因素对电池性能的影响进行了深入的 研究。为了降低成本，提高电池的性能，还研 究了一些金属取代金属钴。目前研究较多的是 LiMn2O4和LiFePO4，还在研究双离子传递型聚 合物正极材料。
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4)材料规模生产的制作与加工工艺 在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构 的优化是研究的重点，而材料的制作和加工常使 用现成的工艺与设备。到了工程化的阶段，材料 的制作和加工工艺与设备就成为关键的因素。在 许多情况下，需要开发针对新能源材料的专用工 艺与设备以满足材料产业化的要求。这些情况包 括：①大的处理量；②高的成品率；③高的劳动 生产率；④材料及部件的质量参数的一致性、可 靠性；⑤环保及劳动防护；⑥低成本。
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4 一些新能源材料的主要进展
Baidu Nhomakorabea4.1 锂离子二次电池材料 锂离子电池的发展方向为：发展电动汽
车用大容量电池；提高小型电池的性能； 加速聚合物电池的开发以实现电池的薄型化。 这些都与所用材料的发展密切相关，特别是与 正极材料、负极材料和电解质材料的发展有关 。
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4.1.1碳负极材料
最早使用金属锂作为负极，但由于此种电 池在使用中曾突发短路、使用户烧伤，因此被 迫停产并收回出售的电池，这是由于金属锂在 充放电过程中形成树枝状沉积而造成的。现在 实用化的电池是用碳负极材料，靠锂离子的嵌 入和脱嵌实现充放电的，从而避免了上述不安 全问题。通过堆不同碳素材料在电池中的行为 研究，是碳负极材料得到优化。