电化学能量储存与转换[可修改版ppt]

有序能
高品质能
完全转换 不完全转换
无序能
低品质能
能源更迭与社会发展
人类社会已经经历了三个能源时代： 柴火时期：生物质燃料为主要能源的“火”时代； 煤炭时期：18世纪诞生蒸汽机，引起动力和产业革命， 19世纪末，电力全面推广，电动机代替蒸汽机； 石油时期：20世纪中叶，石油和天然气资源发展，内燃 机和燃油发动机大量用于交通工具（汽车、飞机等）
世界上第一辆电动汽车于1881年诞生，发明 人为法国工程师古斯塔夫·特鲁夫，这是一辆 用铅酸电池为动力的三轮车。1886年被视为 燃油发动机汽车的诞生日－奔驰1号 。
2007年9月24日上午，位于上海老城厢老西门的11路超级电 容公交车示范线运行。
电化学能量储存与转换装置
电化学能量储存与转换的主要方式：
1、一次电池：化学能 ➔ 电能
2、二次电池：化学能
电能
3、超级电容器：电极/电解质界面静电感应－双电层充放电
4、燃料电池（特殊一次电池）
5、光电化学电池：
（1）染料敏化太阳能电池（太阳能 ➔ 电能）
（2）可再生燃料电池（太阳能➔电能➔化学能➔电能）
电化学技术用于
可再生能的储存
hv
与转换
Photosensitive catalyst

Towards Artificial Leaves for Solar Hydrogen and Fuels from Carbon Dioxide
Samir Bensaid, et al. CHEMSUSCHEM, 2012, 5, 500-521
早期的电化学能量转换装置
1836年，英国的丹尼尔对 “伏特电堆”进行了改良。 不是最早的盐水溶液，而 用稀硫酸作电解液，解决 了电池极化问题，制造出 能保持平稳电流的锌─铜 电池，又称“丹尼尔电 池”。丹尼尔电池最早用 于电报机。
（1831年英国的物理学家、化学家迈克尔·法拉第发现电磁感 应现象，数十年后发电机大规模发电）
✓ 低碳生活是人类发展和现代文明的要求。包括三个方面： 节能提效，使用新能源，化石能源洁净化（减排）。
二、电化学能量储存与转换概要
电化学能量储存与转换的基本模式
光电化学 太阳能电池
光能
光合作用→生物质能， 光解制氢
电能
电池充电，材料制备 电池放电
化学能
Fuel cell H2 O2
Electric power output
✓ 由于煤炭的能量密度和能量品质较低，给环境和运输造成 巨大压力。目前，我国CO2的年排放总量在世界排行第一。由 于汽车的保有量快速增加，CO2排放有进一步增加的趋势。 ✓能源利用率低，GDP占全球的6%，但耗煤31%，油大于8%。 美国和日本的人均GDP能耗仅为我国的0.19倍和0.12倍。提 高能源利用率关键是要改善能源消费结构和能源的高效利用。
（2）二次能源 由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸气、焦 炭、煤气、氢、活泼金属等。
能量的基本性质
不同的能量形态之间可以相互转换： 化学能热能机械能 电能 能量在空间和时间上的转换：能量的传输和储存 能量转换的基本规律：能量守恒定量：输入－输出＝储存
能量不仅有“量”的多少，还有“质”的高低。 物质的运动多种多样，但就其形态而论只有有序和无序两大类，有 序运动对应的能量叫有序能，无序运动对应的能量叫无序能。例如， 一切宏观整体运动的能量（包括机械能）或大量电子定向运动的电 能是有序能，物质内部分子杂乱无章的热运动则是无序能。
电化学能量储存与 转换
一、有关能源和能量的基本概念
构成客观世界的三大要素：物质、能量、信息（生物中存在）
能源
能直接或间接地形成或产生某种能量的自然资源
（1）地球本身蕴藏的能源：如核能、地热能； （2）来自地球以外的能源：宇宙射线，太阳能，太阳 能引起的水能、风能、波浪能、生物质能、化石燃料 （如煤、石油、天然气等，亿年前的太阳能产生的） （3）地球与其它天体相互作用的能源：如潮汐能。
能量 物理学定义：做功的本领。广义地说，能量是产生
某种效果（变化）的能力。
包括：机械能、热能、电能、辐射能（光能）、化学能、 核能、相变能
动力 使车辆行使，马达转动 等等
能源的另一种分类：
（1）一次能源 即可供直接利用的天然能源，如煤、石油、风能、水能等。 其中，煤、石油，天然气、核燃料是非再生能源，而太阳 能、水能和风能等是可再生能源。
进入21世纪，可再生能、核能将成为世界能源的 主角，清洁能源时代来临。可充电电池和燃料电 池将大规模用于可移动装置（如电动自行车、电 动汽车）。
国内现状与发展趋势
✓ 2003年消耗约2.67亿吨石油，世界第二，约40％依赖进口； 目前已经达到55％。2000年煤炭消耗13亿吨标煤，2008年达 到28亿吨，连续保持世界第一。煤炭占能源总消费比例高达 70%。
电化学反应与一般氧化还原反应的区别 ➢ 氧化还原反应：热能的吸收或释放， 可以获得 无序的热能：
2H2 + O2 → 2H2O, -G = 237.2 KJ/mol
一般热机发电效率：大多不超过40％
➢ 燃料电池反应：化学能直接变成有序的电能， 60％或更高效率！
应用电化学的发展概况：
1799年 Volta 发明“伏特电堆” 1807年Davy用电解法得到钠和钾 1859年Planet 发明铅酸电池 1868年G.Lec Lanche研制出锌锰干电池 1899年发明Ni-Cd电池，1951年Ni-Cd电池密封化 1911年我国生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂） 1929年创建了上海天原化工厂,它是中国最早的氯碱工业 20世纪50年代Bacon在燃料电池方面进行了先驱性工作（其 概念最早由William Grove于1839年提出） 1990年Sony首次大规模推出锂离子电池 1991年M. Gratzel提出染料敏化太阳能电池
化学电源的应用--可移动电源
✓ 便携式电器：收录机；智能卡；计算器；手机； 电脑……
✓ 军用装置：通讯；导弹；智能化步兵…….. ✓ 航天航空：人造卫星，飞船….. ✓ 医用：心脏起搏器，助听器，备用电源 ✓ 交通：汽车照明、起动；（混合）电动车 ✓ 能量储存：供电平衡、可再生能的储存
化学电源应用的实例