能源材料01-概述讲解
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新能源材料简介PPT课件
➢ 分布广泛，不需要开采和运输； ➢ 不存在枯竭问题，可以长期利用； ➢ 安全卫生，对环境无污染等。
人造卫星上的太阳能电池
14
• 西班牙塞维利亚太阳能发 电站—欧洲最大的太阳能 电站，可供18万户使用， 每年减排60万吨CO2
15
•槽式太阳能
•蝶式太阳能
16
• 通过光电转化将太阳辐射能转化为电能加以利用是 太阳能利用中最活跃的研究领域。
• 目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类 的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿 物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。
煤炭开采
海上石油开采平台
严重的生态破坏
4
• 生态环境严重破坏：
➢ 1952年12月，伦敦烟雾； ➢ 酸雨； ➢ 河流干涸；
5
6
• 巨大的能源危机：
➢ 已开采800亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明 的1770亿吨石油储量仅够开采50年;
• 我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用率 不高，能源结构也不合理。
➢ 2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国 的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；
➢ 2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力 涡轮机，成为世界最大的风能生产国。
➢ 尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只 占据中国电力消耗总量的1% 。
• 主题馆屋面太阳能板面积达3万多平方米，是目前世 界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量280万度， 每年减排二氧化碳2800吨，节约标准煤1000多吨。
世博中国馆
世博主题馆
21
• 2011年5月，世界首架无污染太阳能飞机进行跨国 飞行(从瑞士飞抵布鲁塞尔需13小时)，飞行高度可 达8700米，平均飞行速度为70-120公里/小时。
人造卫星上的太阳能电池
14
• 西班牙塞维利亚太阳能发 电站—欧洲最大的太阳能 电站，可供18万户使用， 每年减排60万吨CO2
15
•槽式太阳能
•蝶式太阳能
16
• 通过光电转化将太阳辐射能转化为电能加以利用是 太阳能利用中最活跃的研究领域。
• 目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类 的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿 物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。
煤炭开采
海上石油开采平台
严重的生态破坏
4
• 生态环境严重破坏：
➢ 1952年12月，伦敦烟雾； ➢ 酸雨； ➢ 河流干涸；
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6
• 巨大的能源危机：
➢ 已开采800亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明 的1770亿吨石油储量仅够开采50年;
• 我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用率 不高，能源结构也不合理。
➢ 2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国 的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；
➢ 2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力 涡轮机，成为世界最大的风能生产国。
➢ 尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只 占据中国电力消耗总量的1% 。
• 主题馆屋面太阳能板面积达3万多平方米，是目前世 界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量280万度， 每年减排二氧化碳2800吨，节约标准煤1000多吨。
世博中国馆
世博主题馆
21
• 2011年5月，世界首架无污染太阳能飞机进行跨国 飞行(从瑞士飞抵布鲁塞尔需13小时)，飞行高度可 达8700米，平均飞行速度为70-120公里/小时。
新能源材料与技术-第2章 锂离子电池材料-1
嵌入和脱出来进行充放电；
离子电池的组成
14
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
12
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。
离子电池的组成
14
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
12
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。
新能源材料(概念实例分析材料)
新能源材料Chapter 1 绪论一、能源分类能源能够分为一次能源和二次能源。
一次能源是指直接取自自然界没有通过加工转换的各类能量和资源，它包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、地热、生物质能和海洋温差能等等。
由一次能源通过加工转换以后取得的能源产品，称为二次能源，例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。
一次能源能够进一步分为再生能源和非再生能源两大类。
再生能源包括太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等。
它们在自然界能够循环再生。
而非再生能源包括：的煤、原油、天然气、油页岩、核能等，它们是不能再生的，用掉一点，便少一点。
表1 能源的分类二、新能源概念新能源是相关于常规能源而言，以采纳新技术和新材料而取得的，在新技术基础上系统地开发利用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能等。
与常规能源相较，新能源生产规模较小，利用范围较窄。
常规能源与新能源的划分是相对的。
如核能曾被以为是新能源，此刻已被以为是常规能源；太阳能和风能被利用的历史比核能要早许多世纪，由于还需要通过系统研究和开发才能提高利用效率、扩大利用范围，因此此刻把它们列入新能源。
目前各国对这种能源的称呼有所不同，可是一起的熟悉是，除常规的化石能源和核能之外，其他能源都可称为新能源或可再生能源，要紧为太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能、氢能和水能。
三、新能源材料基础能源材料是材料学科的一个重要研究方向，有的学者将能源材料划分为新能源技术材料、能量转换与储能材料和节能材料等。
综合国内外的一些观点，咱们以为新能源材料是指实现新能源的转化和利用和进展新能源技术中所要用到的关键材料，是进展新能源技术的核心和其应用的基础。
从材料学的本质和能源进展的观点看，能贮存和有效利用现有传统能源的新型材料也能够归属为新能源材料。
新能源材料覆盖了镍氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料、反映堆核能材料、进展生物质能所需的重点材料、新型相谈储能和节能材料等。
镍钴铝酸锂的原料-概述说明以及解释
镍钴铝酸锂的原料-概述说明以及解释1.引言1.1 概述镍钴铝酸锂作为一种重要的电池材料，具有广泛的应用前景。
它是一种由镍、钴、铝和锂元素组成的复合物，具有高能量密度、优良的循环性能和较长的使用寿命等优点。
由于其出色的电化学性能和较低的成本，镍钴铝酸锂正被广泛用于新能源领域，尤其是电动车、储能电池和移动设备等领域。
镍钴铝酸锂的制备方法多种多样，常见的方法包括固相法、溶液法和水热法等。
通过精确调控反应条件和原料比例，可以获得不同比例的镍钴铝酸锂，以满足不同领域的需求。
在实际应用中，镍钴铝酸锂具有广泛的应用领域。
首先，它在电动汽车领域扮演着重要角色，可用于制造高性能的动力电池组件，提供更长的续航里程和更快的充电速度。
此外，镍钴铝酸锂还可用于储能电池，提供稳定、高效、长久的能源储备，以支持电网平衡和应急备用。
此外，它还可以应用于移动设备、智能穿戴设备和其他便携式电子产品，提供更持久的电池寿命和更高的性能。
综上所述，镍钴铝酸锂作为一种具有重要应用价值的材料，在新能源领域具有广阔的前景。
随着科学技术的不断发展和创新，对镍钴铝酸锂制备方法的改进和性能优化将进一步推动其应用的广泛发展。
相信在未来的发展中，镍钴铝酸锂将会发挥更大的作用，并为人们的生活带来更多便利。
1.2文章结构文章结构部分可以包括以下内容：文章结构部分是为了介绍本文的组织结构和主要内容安排。
本文的结构包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要包括概述、文章结构和目的三个方面。
首先，概述部分对镍钴铝酸锂的原料进行简要介绍，引起读者的兴趣。
然后，文章结构部分将说明本文的整体组织结构，所列目录可以方便读者对文章结构的整体把握。
最后，目的部分说明了本文针对镍钴铝酸锂的原料所要达到的目标。
正文部分是本文的核心部分，将详细介绍镍钴铝酸锂的定义和特性、制备方法以及应用领域。
其中，2.1 部分将详细介绍镍钴铝酸锂的定义和特性，包括化学结构、物理性质、化学性质等方面的内容。
新能源材料与器件课件 绪论-能量概述
3.1 能源 3.2 能源发展史 3.3 常规能源 3.4 新能源 3.5 新能源材料与器件的发展
绪论
二 课程背景
Background
• 新能源技术是21实际世界经济发展中最具决定性影 响的五个技术领域之一（信息、生物、新材料、新 能源、空间技术），而新能源材料与器件是发展新 能源技术和实现新能源利用的关键。
28
三 能源概述
3.3 常规能源
（2）石油 • 目前世界上已找到近3万个油田和7500个气田，这些油气田遍
布于地壳上六大稳定板块及其周围的大陆架地区。在156个较 大的盆地内几乎均有油气田发现，但分布极不平衡。
世界石油储量分布图
29
三 能源概述
3.3 常规能源
（2）石油 • 在现代国防方面，新型武器、超音速飞机、导弹和火箭所用
33
三 能源概述
3.3 常规能源
（4）水能
• 水能是自然界广泛存在的一次 能源。它可以通过水力发电站 方便地转换为优质的二次能 源—电能。所以通常所说的 “水电”既是被广泛利用的常规 能源，又是可再生能源。而且 水力发电对环境无污染，因此 水能是世界上众多能源中永不 枯竭的优质能源。
新能源材料 能源危机 材料发展 环境污染 资源短缺
4
二 课程背景
Background
新能源技术 促进可持续发展 推动低碳经济
• 英国政府发表的《能源白皮书》中，首次提出了“低碳经 济的概念”，低碳经济概念的提出，引起国际社会的关注， 并且逐步形成共识。
• 所谓低碳经济，就是以低能耗、低污染、低排放为基础 的经济模式，或者是含碳燃料所排放的二氧化碳显著降 低的经济。
22
三 能源概述
3.2 能源发展史
2. 煤炭时期 • 从18世纪下初叶产业革命导致
绪论
二 课程背景
Background
• 新能源技术是21实际世界经济发展中最具决定性影 响的五个技术领域之一（信息、生物、新材料、新 能源、空间技术），而新能源材料与器件是发展新 能源技术和实现新能源利用的关键。
28
三 能源概述
3.3 常规能源
（2）石油 • 目前世界上已找到近3万个油田和7500个气田，这些油气田遍
布于地壳上六大稳定板块及其周围的大陆架地区。在156个较 大的盆地内几乎均有油气田发现，但分布极不平衡。
世界石油储量分布图
29
三 能源概述
3.3 常规能源
（2）石油 • 在现代国防方面，新型武器、超音速飞机、导弹和火箭所用
33
三 能源概述
3.3 常规能源
（4）水能
• 水能是自然界广泛存在的一次 能源。它可以通过水力发电站 方便地转换为优质的二次能 源—电能。所以通常所说的 “水电”既是被广泛利用的常规 能源，又是可再生能源。而且 水力发电对环境无污染，因此 水能是世界上众多能源中永不 枯竭的优质能源。
新能源材料 能源危机 材料发展 环境污染 资源短缺
4
二 课程背景
Background
新能源技术 促进可持续发展 推动低碳经济
• 英国政府发表的《能源白皮书》中，首次提出了“低碳经 济的概念”，低碳经济概念的提出，引起国际社会的关注， 并且逐步形成共识。
• 所谓低碳经济，就是以低能耗、低污染、低排放为基础 的经济模式，或者是含碳燃料所排放的二氧化碳显著降 低的经济。
22
三 能源概述
3.2 能源发展史
2. 煤炭时期 • 从18世纪下初叶产业革命导致
新能源材料简介PPT课件
• III-V族化合物包括GaAs和InP
等，可制成薄膜太阳电池，转
换 效 率 高 、 抗 辐 照 性 能 好 ， 是 太空站上的GaAs太阳电池
较理想的空间太阳电池。
23
第23页/共42页
纳米太阳电池
• 纳米太阳电池(简称NPC电池)是一种由镀有透明导 电膜的导电玻璃、多孔纳米TiO2、染料光敏化剂、 固体电解质膜以及铂电极组成的一种光电化学式 电池。
➢已 探 明 的 1 7 3 万 亿 立 方 米 天 然 气 仅 够 开 采 6 3 年 ； ➢已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400 年; ➢已 探 明 的 铀 储 量 约 4 9 0 万 吨 ， 钍 储 量 约 2 7 5 万 吨 ， 全 球
441座核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，仅够使用100年 左右。 ➢世 界 各 国 水 能 开 发 也 已 近 饱 和 ， 风 能 、 太 阳 能 尚 无 法 满 足人类庞大的需求。
• 与Ni/Cd电池相比，Ni/MH电池具有以下优点：
➢能量密度是Ni/Cd电池的1.5-2倍；
➢充放电速率高；
➢耐过充和过放性能好；
➢使用寿命长；
➢低温性能好； ➢无Cd元素对环境的污染。
第36页/共42页
Ni/MH二次电池
36
• Ni/MH电池开发重点是大功率、高容量方向。国际 上主要汽车公司如GM、Ford和Toyota等相继开发 出Ni/MH电动汽车和混合电动汽车，
➢进 一 步 使 用 有 核 的 或 表 面 凹 凸 不 平 的 纳 米 粒 子 ， 大 幅 提高薄膜的比表面积。
Xi Chen, Baohua Jia, et al, Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles, nano letters, /10.1021/nl203463z| Nano L25ett
新能源材料优秀课件
10
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。
15
❖ 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
16
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
17
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
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
6.材料科学进展--新能源材料1
Mg (Target 3.5wt%)
BCC (TiCrV)
0.05
AB2
MgNiV
BCC (TiCrV)
Conventional Alloys
0.01 1.0
2.0
3.0Biblioteka 4.05.06.0 7.0 8.0
10.0
Gravimetric Density , wt%
负极材料（储氢材料）
AB5型混和稀土系储氢合金
海洋能
潮汐的发生是地球受月球和太阳引力的影响而引 起的涨潮时海水向岸边冲去，落潮时又退回海中， 每天有规律地往复运动。受海岸、港湾地形的影 响，海面的高度在高潮和低潮时有很大差别。可 以用来推动机械装置，又可以用来发电。
氢能
氢是理想能源，热值高、无污染。 存在的问题：1）氢的来源，只能通过电解水，太 阳能分解水，生物制氢，以及化工、冶金等流程制 氢，这就需要消耗能源；2）在存储、运输及应用 过程中易爆，使材料产生氢脆、氢腐蚀，以及氢渗 漏等。 利用方式： 1）直接燃烧；2）储氢：将材料与氢结合成为氢化 物，需要时加热放氢，放完后还可继续充氢。如储 氢合金是高能蓄电池的负极。
金属氢化物 镍电池材料
正极材料（ Ni(OH)2 ）； 负极材料（储氢材料）； 制备电极的基板材料； 电介质材料； 聚合物隔膜； 添加剂； 电池壳体； 密封件；
高密度球形Ni(OH)2正极材料
制备方法： 1）化学沉淀晶体生长法（最常用）； 镍盐+碱形成微晶核，再长成球形Ni(OH)2 硫酸镍+氢氧化钠+氨水+添加剂 2）镍粉高压氧化催化法；
Ni/MH电池材料
1960年代，荷兰和美国先后发现LaNi5和 MgNi5具有可逆吸放氢性能； 1973，将 LaNi5作为二次电池负极材料研究； 1984，解决了LaNi5合金在充放电过程中的容 量衰减迅速的问题，实现了利用储氢合金作 为负极材料制造Ni/MH电池的可能； 1987年，工业化Ni/MH电池投产。
化学与能源
03 化石燃料及其利 用
化石燃料种类与特性
煤炭
天然气
形成于地下深处，由古代植物遗体经 过复杂的地质化学变化而成。具有高 碳含量、高热值和丰富的储量。
主要成分为甲烷，形成于地下深处， 由古代生物遗体在还原环境下经地质 作用形成。具有清洁、高效、环保等 优点。
石油
由古代海洋或湖泊中的生物遗体在地 下高温高压环境下形成。具有高热值 、易运输和加工成各种燃料和化工原 料的特性。
电动汽车与可再生能源的协同发展
将电动汽车作为移动储能单元，通过智能充电设施与可再生能源发电系统相连，实现电动 汽车与可再生能源的协同发展。例如，在太阳能和风能资源丰富的地区建设充电站，为电 动汽车提供清洁的充电服务。
05 新能源材料在化 学能源中应用
新能源材料种类及特性
锂离子电池材料
01
具有高能量密度、长循环寿命和环保等优点，广泛应用于电动
04 可再生能源与化 学储能技术
可再生能源种类及特点
太阳能
风能
利用光伏效应将太阳能转化为电能，具有 清洁、无限可利用的特点。
通过风力驱动风力发电机产生电能，风能 资源丰富且分布广泛。
水能
生物质能
利用水流驱动水轮机产生电能，水能资源 可再生且对环境影响较小。
利用生物质（如木材、农作物废弃物等） 进行燃烧或发酵产生热能或生物燃料，具 有可再生性和低污染性。
化学反应在能源转换中应用
燃料电池
利用化学反应产生电能，具有高效、环保等优点 ，应用于交通工具、便携式设备等领域。
能源储存与转换材料
研究具有高能量密度、快速充放电等特性的材料 ，如锂离子电池、超级电容器等。
ABCD
太阳能利用
通过光化学反应将太阳能转换为化学能储存，如 光合作用、光催化等。
新能源材料概述
新能源材料概述整体来看，新能源材料是一个非常有趣且重要的领域呢。
大致分这几个部分，首先得了解什么是新能源。
新能源就是区别于传统化石能源，像太阳能、风能、水能、生物能等这些可再生、清洁的能源。
那新能源材料呢，就是和这些新能源的开发利用紧密相关的材料。
从太阳能方面讲，主要包括硅材料等。
硅是制造太阳能电池的关键材料。
比如说单晶硅，它的纯度很高，能够高效地把太阳能转化为电能。
多晶硅也广泛应用于太阳能光伏产业，虽然效率比单晶硅略低一点，但成本也低一些，这就非常符合大规模商业化应用的需求。
这就是新能源材料在太阳能领域的典型例子。
风能这块呢，风电叶片的材料就很关键，像玻璃纤维增强复合材料。
它要具备高强度和轻重量的特点，这样才能在风力的吹动下，有效地带动发电机发电。
再说说锂电池这类新能源材料，它与新能源汽车等领域息息相关。
锂电池中的正极材料、负极材料、电解液等每个部分都非常重要。
例如，正极材料有钴酸锂、磷酸铁锂等不同类型，它们的性能特点决定了锂电池的蓄电能力、安全性等关键因素。
磷酸铁锂安全性较好，应用在很多对安全性要求较高的新能源汽车上。
还有氢能相关的材料，像储氢材料，它关系到氢气的存储和运输。
这是一个比较新的研究方向，目前有很多种储氢材料在研究阶段，像金属氢化物储氢材料等。
核心内容是新能源材料都是为了提高新能源的利用效率、降低成本、增强安全性，使得新能源能更好地商业化并走进人们的生活。
对了还有个方面，随着研究的不断发展和深入，很多新能源材料会不断优化甚至被全新的材料所替代，这就是这个领域不断进步的魅力所在。
总的来说，通过这些具体的例子去理解新能源材料的每个部分，就能比较好地掌握它的整体框架，也能明白各个部分之间是怎么联系起来为新能源这个大的战略需求服务的。
第5讲能源材料(1课时)
27
（1）多晶硅薄膜电池
各种CVD（PECVD，RTCVD， CVD等）技术被 用来生长多晶硅薄膜，在实验室内有些技术获得了重要 的结果。德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2和SiN 包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底，用快速热化学气相沉 积（RTCVD）技术沉积多晶硅薄膜，硅膜经过区熔再 结晶（ZMR）后制备太阳电池，两种衬底的电池效率分 别达到9．3％和11％。
21
人们首先使用高纯硅制造太阳电池（即单晶 硅太阳电池）。由于材料昂贵，这种太阳电 池成本过高，初期多用于空间技术作为特殊 电源，供人造卫星使用。
七十年代开始，把硅太阳电池转向地面应用。 采用废次单晶硅或较纯的冶金硅专门生产太 阳能级硅材料，以及利用多晶硅生产硅太阳 电池，均能大幅度降低造价。
近年来，非晶硅太阳电池的研制迅速发展。22
9
1.太阳光谱选择性吸收涂层（表面）
具有高的太阳吸收比和低的发射比的涂层（表面），称为 太阳（光谱）选择性吸收涂层。目前，它已有上百种涂层材料 与工艺，而从机理上可以将其分为六类，实际的选择性吸收涂 层往往包含其中二至三类。应用最广泛的选择性吸收涂层为三 层结构，即由底层、中层和表层组成。贴近衬底的底层为红外 高反射即低发射比的金属层，如金、银、铜、铝、镍或钥等； 中层为吸收层，是由若干金属一介质复合薄膜的次层组成，金 属粒子的尺寸、形状及其占该次层的体积比决定了该次层的光 学常数，靠近金属底层的吸收次层具有强的吸收，表层为减反 层，该层具有低的折射率n（n＜1.9＝及低的消光系数（k＜ 0.25），或是增加对太阳光的捕获的微不平表面层。这样的光 谱选择性吸收涂层具有优异的光谱选择性，即高的太阳吸收比， 低的发射。
26
晶体硅电池效率不断提高，技术不断改进，加上 晶硅稳定，无毒，材料资源丰富，人们开始考虑开发 多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电池的 高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电 池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点，因 此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。另 一方面，采用薄片硅技术，避开拉制单晶硅或浇铸多 晶硅、切片的昂贵工艺和材料浪费的缺点，达到降低 成本的目的。
（1）多晶硅薄膜电池
各种CVD（PECVD，RTCVD， CVD等）技术被 用来生长多晶硅薄膜，在实验室内有些技术获得了重要 的结果。德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2和SiN 包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底，用快速热化学气相沉 积（RTCVD）技术沉积多晶硅薄膜，硅膜经过区熔再 结晶（ZMR）后制备太阳电池，两种衬底的电池效率分 别达到9．3％和11％。
21
人们首先使用高纯硅制造太阳电池（即单晶 硅太阳电池）。由于材料昂贵，这种太阳电 池成本过高，初期多用于空间技术作为特殊 电源，供人造卫星使用。
七十年代开始，把硅太阳电池转向地面应用。 采用废次单晶硅或较纯的冶金硅专门生产太 阳能级硅材料，以及利用多晶硅生产硅太阳 电池，均能大幅度降低造价。
近年来，非晶硅太阳电池的研制迅速发展。22
9
1.太阳光谱选择性吸收涂层（表面）
具有高的太阳吸收比和低的发射比的涂层（表面），称为 太阳（光谱）选择性吸收涂层。目前，它已有上百种涂层材料 与工艺，而从机理上可以将其分为六类，实际的选择性吸收涂 层往往包含其中二至三类。应用最广泛的选择性吸收涂层为三 层结构，即由底层、中层和表层组成。贴近衬底的底层为红外 高反射即低发射比的金属层，如金、银、铜、铝、镍或钥等； 中层为吸收层，是由若干金属一介质复合薄膜的次层组成，金 属粒子的尺寸、形状及其占该次层的体积比决定了该次层的光 学常数，靠近金属底层的吸收次层具有强的吸收，表层为减反 层，该层具有低的折射率n（n＜1.9＝及低的消光系数（k＜ 0.25），或是增加对太阳光的捕获的微不平表面层。这样的光 谱选择性吸收涂层具有优异的光谱选择性，即高的太阳吸收比， 低的发射。
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晶体硅电池效率不断提高，技术不断改进，加上 晶硅稳定，无毒，材料资源丰富，人们开始考虑开发 多晶硅薄膜电池。多晶硅薄膜电池既具有晶硅电池的 高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电 池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点，因 此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。另 一方面，采用薄片硅技术，避开拉制单晶硅或浇铸多 晶硅、切片的昂贵工艺和材料浪费的缺点，达到降低 成本的目的。
《能源材料第一讲》PPT课件_OK
28
人类的生活水平不断提高，能耗也 不断提高，
世界如此， 亚洲如此， 中国更是如此！
能源和我们的生活越来越密切！ 能源消费越来越多！ 能源价格越来越高了！
人们没有理由不关注！！！
29
世界能源消耗量
亚洲能源消耗量
30
目前， 人类的能源结构仍以传统的为主。 石油 天然气 煤炭 水电等。 具体结构如下图：
新能源对环保影响小， 值得研究开发、推广。
6
新能源材料则是指实 现新能源的转化和利用以 及发展新能源技术中所要 用到的关键材料。
7
主要包括储氢电极合金材料为代表 的镍氢电池材料、嵌锂碳负极和 LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、 燃料电池材料、Si半导体材料为代表 的太阳能电池材料以及铀、氘、氚为 代表的反应堆核能材料等。当前的研 究热点和技术前沿包括高能储氢材料、 聚合物电池材料、中温固体氧化物燃 料电池电解质材料、多晶薄膜太阳能 电池材料等。
17
5.燃料电池新材料应积极研发，瞄准未来 电动汽车对燃料电池的巨大需求，努 力实现催化剂、导电膜和双极板等材 料国产化的大规模应用；
6.电池新材料市场既受上游原材料价格的 波动和供应的变动，又受下游电池市 场的需求影响，进而影响到材料产量 和价格，电池新材料厂商应加强上下 游产业链的整合力度，形成材料、电 池生产、应用上下游的结合，提高效 率、降低成本、分散风险。
11
所谓新能源，是相对而言 的。现在的常规能源在过去也 曾是新能源，今天的新能源将 来也会成为常规能源。
12
二、新能源材料的发展
20世纪80年代以来，能源和环 境已成为人类社会发展的两大瓶 颈。我国经济快速增长和社会的 可持续发展，也急切需要发展新 型能源及能源材料。
人类的生活水平不断提高，能耗也 不断提高，
世界如此， 亚洲如此， 中国更是如此！
能源和我们的生活越来越密切！ 能源消费越来越多！ 能源价格越来越高了！
人们没有理由不关注！！！
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世界能源消耗量
亚洲能源消耗量
30
目前， 人类的能源结构仍以传统的为主。 石油 天然气 煤炭 水电等。 具体结构如下图：
新能源对环保影响小， 值得研究开发、推广。
6
新能源材料则是指实 现新能源的转化和利用以 及发展新能源技术中所要 用到的关键材料。
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主要包括储氢电极合金材料为代表 的镍氢电池材料、嵌锂碳负极和 LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、 燃料电池材料、Si半导体材料为代表 的太阳能电池材料以及铀、氘、氚为 代表的反应堆核能材料等。当前的研 究热点和技术前沿包括高能储氢材料、 聚合物电池材料、中温固体氧化物燃 料电池电解质材料、多晶薄膜太阳能 电池材料等。
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5.燃料电池新材料应积极研发，瞄准未来 电动汽车对燃料电池的巨大需求，努 力实现催化剂、导电膜和双极板等材 料国产化的大规模应用；
6.电池新材料市场既受上游原材料价格的 波动和供应的变动，又受下游电池市 场的需求影响，进而影响到材料产量 和价格，电池新材料厂商应加强上下 游产业链的整合力度，形成材料、电 池生产、应用上下游的结合，提高效 率、降低成本、分散风险。
11
所谓新能源，是相对而言 的。现在的常规能源在过去也 曾是新能源，今天的新能源将 来也会成为常规能源。
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二、新能源材料的发展
20世纪80年代以来，能源和环 境已成为人类社会发展的两大瓶 颈。我国经济快速增长和社会的 可持续发展，也急切需要发展新 型能源及能源材料。
能源材料综述讲解
储氢合金材料
能源材料定义和分类
定义
➢广义上说，凡是能源工业及能源技术所需的材料都可称 为能源材料。 ➢新材料领域，能源材料往往指那些正在发展的、可能支 持建立新能源系统满足各种新能源及节能技术的特殊要求 的材料。
分类
➢按材料种类，可分为燃料、能源结构材料、能源功能材料等 几大类。 ➢按其使用目的，又可以把能源材料分成能源工业材料、新能 源材料、节能材料、储能材料等大类。
储氢合金的应用领域
储氢材料应用于国民经济中的冶金、石油化工、光学、磁 学、电子、生物医疗和原子能工业的各大领域的30 多个 行业，但主要应用领域是高性能充电电池—镍氢电池。
镍氢电池具有能量密度高、循环寿命长、动力学性能良 好、环境友好和安全性好等优点，广泛应用于便携式电子设 备、电动工具、混合电动车 （HEV），HEV从2004年起,得到 迅速发展。每年以2既的速度递增,到2008年累计销售1 70万 辆。
➢锆系储氢合金主要有 Zr-V、Zr-Cr 和 Zr-Mn 系 列, 以 ZrV2、ZrCr2、ZrMn2 等为代表 ,可用通式 AB2 表示,具有 C14、C15、C36 等Laves 相结构,吸氢量大、反应速度快以 及易活化、没有滞后效应
➢稳定性较差
➢添加 Ni、Mn、Cr、V 等元素,合金的相结构由 ZrMn2 的 纯C14 相结构转变为 C15 或两者的混相结构, 同时合金中 出现一系列的Zr-Ni 相，提高合金的综合电化学性能。
氢气存储
液气存储
物理存储
高压氢气存储 活性炭吸附存储
碳纤维和碳纳米管存储
氢
玻璃微球存储
气
地下岩洞存储
存
储
有机液态氢化物存储
化学存储
无机物存储 铁磁性材料存储
能源材料定义和分类
定义
➢广义上说，凡是能源工业及能源技术所需的材料都可称 为能源材料。 ➢新材料领域，能源材料往往指那些正在发展的、可能支 持建立新能源系统满足各种新能源及节能技术的特殊要求 的材料。
分类
➢按材料种类，可分为燃料、能源结构材料、能源功能材料等 几大类。 ➢按其使用目的，又可以把能源材料分成能源工业材料、新能 源材料、节能材料、储能材料等大类。
储氢合金的应用领域
储氢材料应用于国民经济中的冶金、石油化工、光学、磁 学、电子、生物医疗和原子能工业的各大领域的30 多个 行业，但主要应用领域是高性能充电电池—镍氢电池。
镍氢电池具有能量密度高、循环寿命长、动力学性能良 好、环境友好和安全性好等优点，广泛应用于便携式电子设 备、电动工具、混合电动车 （HEV），HEV从2004年起,得到 迅速发展。每年以2既的速度递增,到2008年累计销售1 70万 辆。
➢锆系储氢合金主要有 Zr-V、Zr-Cr 和 Zr-Mn 系 列, 以 ZrV2、ZrCr2、ZrMn2 等为代表 ,可用通式 AB2 表示,具有 C14、C15、C36 等Laves 相结构,吸氢量大、反应速度快以 及易活化、没有滞后效应
➢稳定性较差
➢添加 Ni、Mn、Cr、V 等元素,合金的相结构由 ZrMn2 的 纯C14 相结构转变为 C15 或两者的混相结构, 同时合金中 出现一系列的Zr-Ni 相，提高合金的综合电化学性能。
氢气存储
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物理存储
高压氢气存储 活性炭吸附存储
碳纤维和碳纳米管存储
氢
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地下岩洞存储
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有机液态氢化物存储
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无机物存储 铁磁性材料存储
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（1） 煤的气化
H2O(g),O2 气化剂
C
高温
H2 CO CH4
1) C + O2 = CO2 2) C + 1/2 O2 = CO 3) C + CO2 = 2CO 4) C + H2O = CO + H2 5) C + 2H2O = CO2 + 2H2
6) CO + H2O = CO2 + H2 7) C + 2H2 = CH4 8) CO + 3H2 = CH4+ H2O 9) CO + 2H2 = CH4 10) CO2 + 4H2 = CH4+ 2H2O
EM
能源材料
Energy Materials
主讲：管 婧
本课程
首先通览能源面临的形式，发展新能源及新能源材料的必 要性，与取得的主要进展；
然后从分析各种新能源（热能、氢能、太阳能、二次能源、 燃料电池等）的特点出发，学习各种新材料在能源转换中 的应用，存在的问题，相关的研究及材料基础理论在其中 的应用和发展，有关的能源政策。
1.1 能源与化学概论
1.1 能源概述 1 能源的分类 2 世界能源结构与消费 3 中国能源现状及趋势 4 能源开发利用
限制并有计划的开采石油和天然气 发展原子能 加速开发利用新能源 节流
1.1 能源与化学概论
一、 能源定义
可以直接或间接提供人类所需的光、热、电、动力等 任何形式的载能体资源。
能源定义目前约有20种。例如： 《科学技术百科全书》说：“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》说：“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》说：“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”；我国的《能源百科全书》 说：“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。
没有重修的机会！
第一章 1 能源的概念、种类
2 能源与功能材料 33 能源应用现状 44 新能源材料的发展 55 材料对能源的影响
能源
能源和材料是社会发展的物质基础。
新能源
新能源（主要指绿色的可再生能源） 具有分布普遍、储量丰富、可以互 补、对环境和生态影响小等一系列 特点。新能源开发和有效利用的关 键之一是与其相应的材料。
三 地球能量的来源和分类
能源的来源： ①来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）
煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的 动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代 生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海 流能等也都是由太阳能转换来的。
②地球本身蕴藏的能量 如原子核能、地热能等。
（2）煤的液化
煤与石油的区别： ① 煤： H : C = 0.4~0.8
石油： H : C = 1.5~1.8 ② 煤分子量＞石油分子量10倍
直接液化法 间接液化法
煤间接液化工厂
3. 石油和天然气
石油的主要组成元素为
C
H
O
N
S
83~87% 10~14% 0.05~25% 0.02~0.25% 0.05~8
3 清洁能源和非清洁能源（按对环境污染）
清洁能源：对环境无污染或污染很小的能源。如：太阳能、水能、风能 非清洁能源：对环境污染较大的能源。如：煤、石油、天然气等化石能源
4 常规能源和新能源（按利用程度）
常规能源：化石燃料、水流能、风能等人类早就应用的能源. 新能源：核能、太阳能、地热能、潮汐能等新近才开始利用的能源
太阳能
化石 能源
新能源
生物质能
电能
二、能源利用与社会发展
人类利用能源的历史，也就是人类认识和征服然的历 史。
(1)火的发现和利用； (2)畜力、风力、水力等自然动力的利用； (3)化石燃料的开发和热的利用； (4)电的发现及开发利用； (5)原子核能的发现及开发利用； (6)新能源的开发与利用。
人类社会已经历了三个能源时期：
能源分类
形成条件 利用技术
一次能源
二次能源
常规能源 新能源 清洁能源 可再生能源
化石能源 水能、油页岩
焦炭、汽油、化学品、 电力、蒸汽
核能、太阳能、地热、 海洋能、风能、潮汐 二次电池、氢能 能、生物质能
核能、太阳能、地热、 海洋能、风能、潮汐 二次电池、氢能 能、生物质能
太阳能、地热、海洋 能、风能、潮汐能、 生物质能
③地球和其他天体相互作用而产生的能量 如潮汐能。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。
能源分类
1 一次能源和二次能源（按获得的方式）
一次能源：是自然界直接提供的能源. 二次能源：由自然界提供的能源转化而来的能源.
2 再生能源和不可再生能源（按是否再生）
可再生能源：对于一次能源，如太阳能、风能等可从自然界源源不断的得到的能源。 不可再生能源：如煤、石油天然气以及核燃料等一旦消耗很难再生的能源。
H：主要可燃元素 有效氢——与C S P结合，可燃烧 化合氢——与O 结合，不能燃烧
O , S, N等：有害成分。
2. 煤的有效洁净利用——洁净煤技术 （中Cl国ea洁n净C煤oa技l T术e主ch要no技lo术gy领域简：称 CCT）
煤炭利用前净化技术
煤炭洁净燃烧
煤炭的转化技术
污染控制与废气、废物管理
薪柴时期：主要以薪柴等生物质燃料为主要能源的 时代，生产和生活水平极低，社会发展缓慢。
煤炭时期：以煤炭取代薪柴作为主要能源，蒸汽机成为 生产的主要动力，工业迅速发展，劳动生产力增长很大。
石油时期：开始了能源利用的新时期。近30年来，世界 上许多国家依靠石油和天然气，创造了人类历史上空前的 物资文明。
和煤相比（1）石油含氢量高，含氧量低。 （2）石油中的碳氢化合物以直链烃为主。 煤中的碳氢化合物以芳烃为主。
四 化石能源：煤、石油和天然气概述
1. 煤的种类及主要成分
无烟煤 含碳量/ % 80
泥煤 50
煤的化学组成
元素 C
H
O
N
S
含量/ % 85.0 5.0
7.6
0.7
1.7
C：主要可燃成分， C (s) + O2 (g) = CO2 (g) △rHmθ(298.15k)= -393.5 kj·mol-1