电化学能量储存与转换

✓ 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。
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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）
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
（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。
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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。
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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！
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应用电化学的发展概况：
Electric power output
电化学技术用于
Fra Baidu bibliotek
可再生能的储存
hv
与转换
Photosensitive catalyst
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Towards Artificial Leaves for Solar Hydrogen and Fuels from Carbon Dioxide
Samir Bensaid, et al. CHEMS精U选S课C件HEM, 2012, 5, 500-521
✓ 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，化石精能选课源件 洁净化（减排）。
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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
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Fuel cell H2 O2
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化学电源应用的实例
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 精燃选课油件发动机汽车的诞生日－奔驰1号 。 15
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）。
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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%。
电化学能量储存与转换
杨军
化学化工学院
建工楼415室
Tel. 54747667
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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。
应现象，数十年后发电机大精规选模课件发电）
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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
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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
有序能
高品质能
完全转换 不完全转换
无序能
低品质能
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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）
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
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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。