新能源材料

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。
4 一些新能源材料的主要进展
4.1 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 。
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。
4.3燃料电池材料
研究开发燃料电池的目的是使其成为汽车 、航天器、潜艇的动力源或组成区域供电。现 针对上述不同用途开发的燃料电池有碱性氢氧 电池（AFC)、磷酸型燃料电池（PAFC）、质 子交换膜型燃料电池（PEMFC)、熔融碳酸盐 型燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池 （SOFC）。燃料电池材料的发展主要围绕提 高燃料发电的效率、延长电池的工作寿命、降 低发电成本等方面。
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。
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。
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。
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。
1）发展新工艺、提高转换效率 材料工艺包括材料提纯工艺、晶体生长工 艺、晶片表面处理工艺、薄膜制备工艺、异质 结生长工艺、量子阱制备工艺等。通过以上的 研究进展，使得太阳能电池的转换效率不断提 高。单晶硅电池转换效率已经达到23.7%，多 晶硅电池已达18.6%。 2）发展薄膜电池、节约材料消耗 目前大量应用的是晶体硅电池。此种材料 属间接禁带结构，需较大的厚度才能充分地吸 收太阳能。而薄膜电池如砷化镓电池、碲化镉 电池、非晶硅电池，则只需1μm~2μm的有源层 厚度。而多晶硅薄膜电池的有源层厚度又降到 50μm，同时使用衬底剥离技术，使衬底可以多 次使用。
3）材料大规模的加工技术 提高太阳电池成本竞争力的途径之一是扩 大生产规模。其中材料制备与加工技术是关键 的因素。为此研究开发大生产的工艺与设备。 目前生产的太阳电池的70%-80%是晶体硅太阳 能电池，它们使用的原料为生产半导体器件用 晶体的头尾料及等外品。 4）与建筑相结合 解决太阳能电池占地面积问题的方向之一 是与建筑相结合。除了建筑物的屋顶可架设太 阳电池板之外。将太阳电池做在建筑材料上是 值得重视的。
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:
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。
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。
(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。
4.4核能材料 核反应堆可分为裂变反应堆和聚变反应堆 两大类。裂变反应堆已经大量使用，对其材料 的研究除了优化商品堆的性能外，主要是为了 满足新型堆的需要。聚变堆离实际的应用还有 一段相当的距离。目前核能材料的研究发展重 点有以下几方面： 1）包壳材料 包壳材料的主要功能是在裂变堆中将燃料 和冷却剂分开。对它的技术要求是应具备低的 中子吸收截面、良好的抗辐射性能、与燃料相 容性好、满意的耐蚀性、足够的力学性能。已 使用的有铝合金、锆合金、镁合金、不锈钢等 。研究的重点是快中子增殖堆。
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。
4.2 太阳能电池材料 太阳能为人类最主要的可再生能源。但是 这一巨大的能量却分散到整个地球表面，单位 面积接受的能量强度不高，所以制约太阳能电 池发展的因素有：接受面积的问题； 能量 按照时间分布不均的问题；电池材料的资源 问题；④成本问题。综合上述因素，太阳能电 池材料的发展主要围绕着提高转换效率、节约 材料成本等问题进行研究。主要有以下进展。