第一章新能源及其新材料

新材料决定着核反应堆的性能与安全性。 材料的组成、结构、制作、加工工艺决定 着投资与运行成本。
如：太阳电池材料决定着光电转换效率；
燃料电池的电极材料决定着电池的质量和 寿命；
材料的制备工艺又决定着能源的成本。
介绍几种新能源材料
（1）金属氢化物镍电池材料 （2）锂离子电池材料 （3）燃料电池材料 （4）太阳能电池材料 （5）半导体照明发光材料
图1 某些气体的吸收波段
温 室 效 应
“温室效应”使地球变暖带来的严重后果
A、根据IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change） 的预测，2050年地球的平均气温将增加2.5±1 ℃ B 、专家认为：近 100 年来，全球年平均气温上升了 0.6℃。预计到2100年，全球年平均气温将比1990年 上升1.5－3.5℃ C、美国皮尤全球气候变化研究中心发表的一份报告估 计，到 2100 年全球气温将升高 1.3-4.6 摄氏度，并导 致海平面升高17-99 厘米。 D、全球森林面积迅速下降，现有森林已无法吸收各国 所排放的二氧化碳，已使大气层中二氧化碳含量迅 速增加，整个气候状况已经进入恶性循环状态。
第一章 新能源及其新材料概述
能源现状
新能源及其发展现状
能源的概念及分类
能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类 社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的 使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全 世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发 展的重要问题。
究竟什么是“能源”呢？
表1 世界一次能源消费的增长率
(2)能源结构发生变化。
表2 世界一次商品能源构成
(3) 能源应用形态有所改变。
小型的可移动电源的需求量增长很快，这
主要是信息技术发展的结果；特别是近年来笔 记本电脑、手提电话等移动通信、摄像机、声 像设备以及一些军用电子设备的发展，对电池 的能量密度要求更高，并要求能够反复使用。
温 室 气 体 的 来 源
统计数据
因二氧化硫排放每年经济损失1126 亿元(世界银行统计超过5000亿元)
世界十大严重污染城市
中国占：
7
个
在北京、上海等大城市， 空气污染的60%来自汽车 排放二氧化碳的全球排 放量中，中国居第二
我国能源现状与发展问题
1.可再生清洁能源如风能、太 阳能等所占比例不到3% 2.石油、煤和天然气占初级 能源消耗的85%左右 3.其余主要是火电和水电 据可靠资料报道，到2020年， 我国能源的消费比例除了利用 石油、煤和天然气以及水电外， 风能的消费比例要占到10%， 核能的消费要占到3%。
石油
天然气
煤
铀
我国各种能源探明储量（以储采比表示）与世界比较
摘自“光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑战” 论文集 2004年4月8日， 北京 P8
新能源及其新材料
新能源（或清洁能源）：
太阳能、生物质能、核能（不属于清洁能 源）、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能 源中的氢能。
新能源的开发一方面靠利用新的原理来发

环境污染严重
解决我国能源问题的措施：
1、积极开发利用新能源； 2、提高能源利用率； 3、努力改善能源结构； 4、加速实施洁净煤技术； 5、合理利用石油和天然气；
无穷大
300 250 200 150 100
约45年 约81 约61年 约71年 约50 约230年
世界 中国
50 0 太阳能
约30
约15
能源的定义有20多种 《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。
交通运输用油约占石油消耗的40%
2020年 原油需求控制在4.5亿吨，至少进口 2.5亿吨，对外依存度65% 汽车保有量应控制在1亿辆(现有2400 万辆) 2004年，产量500万辆，到2010年预计 汽车年产量达到800到1000万辆
我国能源工业的突出问题：

人均能源拥有量低、储备量低； 能源生产和消费结构依然以煤为主； 能源利用效率低；
6600-6700
38800-47700 4.1-5.0亿吨
其它：LPG、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等 2004年我国汽柴油消耗分别达4706万吨和10292万吨(合计1.5亿吨)
汽车油耗占汽柴油诮费的比例(2002) 耗 油 量 ， 占消费量， 万吨 % 汽油车
柴油车
2825
1888
75.5
24.2
新材料的几个作用： 新材料把原来习用已久的能源变为新能源。
如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；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。
一些新材料可提高储能和能力转化效果
如：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。
展新的能源系统，另一方面靠材料的开发与应
用，使新系统得以实现，并提高效率，降低成本。
能源材料的概念及分类 广义上，凡能源工业及及能源利用技术所 需的材料都可称为能源材料。
新能源材料－如增殖堆用核材料、太阳能电池材料 节能材料－如非晶态金属磁性，超导材料。 储能材料－如贮氢（吸氢）材料，高比能电池材料
气体对包括太阳的各种热辐射的特性
单原子气体和空气、氢气、氧气、氮气 等分子结构对称的双原子气体实际上并 无发射和吸收辐射能的能力。它们可以 看作是热辐射的透明体。 二氧化碳、水蒸汽、二氧化硫、甲烷、 氟利昂（制冷剂）等三原子和多原子气 体则有相当的辐射和吸收能力。
上述气体的辐射和吸收 具有明显的选择性，即它 们对某些波长段有吸收和 辐射能力，对该波长段以 外的则不吸收。
因此促进了高容量二次电池的发展。
(4) 矿物能源面临枯竭。（1992世界能源大会）
石油/年 天然气/年
煤/ 年
铀/年
世界
49
57
262
60
中国
23
61
102
30
Βιβλιοθήκη Baidu
(5) 矿物燃烧造成环境污染。
最近几十年来，地球日益变暖。 地球为什么会变暖？ 这是由于人类大量使用能源而 放出的热量使地球变暖的吗？
温室效应？
E、气候变暖有可能导致极地冰帽迅速融化，进而使海 平面上升，引发大规模洪水。在地球历史上发生于 15万年前的冰川期则只是因为在2万年内地球气温升 高5℃所造成的。 F. 温室效应还会造成极端降水（暴雨、暴雪）、飓风、 山崩及泥石流等“非常事件”将频繁出现。专家们 注意到，在过去几年里，衡量气候变化的“非常事 件指数”（Extrenme Event lndex）不断攀高，由于 气候变化而引起的自然灾害随时可能出现。 G. 温室效应造成厄尔尼诺现象频繁发生，气候异常、 危害严重
各种能源的消费比例图
我国石油产品需求预测 2010年，万吨 汽、煤、柴油 17750-18900 2020年，万吨 21700-28800
润滑油
燃料油 化工用油
520-560
2900 4700-5600
560-770
2700 7200-8700
其它
石油产品合计 国内石油需求
5400-5500
31300-33500 3.3-3.5亿吨
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。
能源分类
一次能源
可再生能源 风能，水能，太 阳能，地热，海 洋能，生物能 非再生能源 化石燃料（煤， 石油，天然气） 铀
二次能源(经转换 或提炼） 电能，氢能，汽 油，柴油等
核能是一次能源还是 二次能源？
能源应用现状
(1) 人类社会对能源的需求不断增加。
能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。
18世纪末以前
18世纪末，煤炭作为蒸汽机的原动力，成为当时 的主要能源
20世纪40年代，石油液态燃料作为内燃机、燃气轮 机的动力，成为当时的主要能源
人类社会的发展伴随着能源消耗的增加。