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Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC
固体化学与无机膜研究所
●新型能源材料
目前地球上的主要能源－化石燃料（煤、石油、天然气等）存在的主要问题是： ♣ 利用效率低 ♣ 应用技术落后，对环境造成污染（烟尘、有害气体等） ♣ 未开采的储量已经不多，终将消耗
这些技术的发展的基于种种新型材料，这些材料主要包括：
★ 半导体材料和集成电路、微电子工业 ★ 激光材料与非线性光学材料 ★信息传感与传感器技术材料 ★ 半导体发光材料、液晶显示材料与感光材料 ★ 信息传输材料：石英光纤，非氧化物玻璃纤维，有机聚合物光纤 ★ 信息存储材料：磁记录材料、磁光记录材料、光存储材料
Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC
固体化学与无机膜研究所
●固体氧化物燃料电池材料
固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜燃料 电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放 50%，不产 生NOx，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但目前研究的 固体氧化物燃料电池的工作温度达800～900℃，其关键部件的材料 制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技 术主要有： a）高性能电极材料及其制备技术； b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术； c）电池结构优化设计及其制备技术； d）电池的结构、性能与表征的研究。
因而，开发新能源和节能技术是当前始终如一的研究课题， 涉及 种类繁多的新材料：
★核能技术材料（陶瓷核燃料，核反应堆容器材料……） ★储氢材料（SmCo5，NbTi合金……） ★燃料电池材料（电解质、阴极、阳极、连接材料、密封材料……) ★风力发电设备材料（高强度轻质复合材料……） ★太阳电池材料（Si，a－Si， CdSe， GaAs……） ★超导输电线材料 ★镍氢电池、锂离子电池相关材料 ★……
Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC
固体化学与无机膜研究所
●新型半导体材料与大规模三维集成电路
★元素半导体和化合物半导体：Si， Ge，金刚石, III－V、II－VI族化 合物单晶硅Si材料，直径，1970年50mm；1985年150mm； 2000 年225mm集成电路集成度：1987年 > 100万晶体管/平方厘米,2000 年>1000万(1024K)IBM预测, 2007年, 设计线宽将达到0.01 微米, 芯 片上可集成10亿晶体管
固体化学与无机膜研究所
当前新材料研究热点领域：
●信息技术领域与信息材料
世所公认，我们当前是处于信息时代， 即以信息技术为时代特 征。信息技术主要是指信息的获取、传递、处理、存储、显示 等技术，包括微电子技术，光电子技术，计算机技术，软件技 术，通讯技术，辐射成像技术，高清晰度电视技术等，以这些 技术为基础，互相交叉，形成现代信息高技术和产业。
管状SOFC电池结构示意图
Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC
Βιβλιοθήκη Baidu
固体化学与无机膜研究所
固体氧化物燃料电池的结构（2）
自支撑型平板式SOFC
Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC
CH4 H2O
CO2 内重整 CO
H2
阳极
氧离子固体电解质
阴极
H2O
电子
O2
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固体化学与无机膜研究所
固体氧化物燃料电池的结构（1）
Ni-YSZ阳极
燃 料 气
YSZ电解质膜 空气
Ni接触杆 阴极LSM 多孔支撑管
Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC
固体化学与无机膜研究所
●超导材料
以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体 成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；但是， 由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使 用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。
★ GaAs为第二代半导体, 可在300-500℃ 使用, 运算频率可达2000 Mhz而 Si 仅可工作在250℃以下,频率仅为300 MHz
★ GaN为第三代化合物半导体 ,工作放热有可能使电路失效, 发展高热导的II型金刚石是个方向
★ CVD法金刚石薄膜和AlN薄膜,将有效的提高了集成度 ★ 三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发
★ 铁电-Si微集成系统, 具有良好系统功能, 成为当前的研制热点
Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC
固体化学与无机膜研究所
●信息传输光纤材料
多模光纤、新型色散补偿光纤与色散 管理光纤、稀土掺杂光纤和高聚合物光 纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤； 特别是光纤预制棒制造技术是光纤制造 技术的核心，也一直是我国光纤产业发 展的最薄弱环节
固体化学与无机膜研究所
●太阳能利用技术
♣ 单晶硅，多晶硅，非晶硅太阳电池材料； II－VI族化合物 半导体太阳电池材料：ZnSe， CdTe。。。要求：研制出光 电转换效率大于 18%的低成本、大面积、可商业化的硅基太 阳能电池及其组件。
IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。 ♣ 太阳能的综合利用 (光电、热电、热交换)及其与风力发电 的耦合技术；建立总体利用效率达15%的追尾聚集光式太阳 能光电、热电、热交换系统并实用化，建立太阳能综合利用 与风力发电耦合的实用型分布式地面电站，并可并网供电。
固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体 电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质 子交换膜等，都是目前研究的热点。
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固体化学与无机膜研究所
固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理
固体化学与无机膜研究所
●新型能源材料
目前地球上的主要能源－化石燃料（煤、石油、天然气等）存在的主要问题是： ♣ 利用效率低 ♣ 应用技术落后，对环境造成污染（烟尘、有害气体等） ♣ 未开采的储量已经不多，终将消耗
这些技术的发展的基于种种新型材料，这些材料主要包括：
★ 半导体材料和集成电路、微电子工业 ★ 激光材料与非线性光学材料 ★信息传感与传感器技术材料 ★ 半导体发光材料、液晶显示材料与感光材料 ★ 信息传输材料：石英光纤，非氧化物玻璃纤维，有机聚合物光纤 ★ 信息存储材料：磁记录材料、磁光记录材料、光存储材料
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●固体氧化物燃料电池材料
固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜燃料 电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放 50%，不产 生NOx，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但目前研究的 固体氧化物燃料电池的工作温度达800～900℃，其关键部件的材料 制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技 术主要有： a）高性能电极材料及其制备技术； b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术； c）电池结构优化设计及其制备技术； d）电池的结构、性能与表征的研究。
因而，开发新能源和节能技术是当前始终如一的研究课题， 涉及 种类繁多的新材料：
★核能技术材料（陶瓷核燃料，核反应堆容器材料……） ★储氢材料（SmCo5，NbTi合金……） ★燃料电池材料（电解质、阴极、阳极、连接材料、密封材料……) ★风力发电设备材料（高强度轻质复合材料……） ★太阳电池材料（Si，a－Si， CdSe， GaAs……） ★超导输电线材料 ★镍氢电池、锂离子电池相关材料 ★……
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●新型半导体材料与大规模三维集成电路
★元素半导体和化合物半导体：Si， Ge，金刚石, III－V、II－VI族化 合物单晶硅Si材料，直径，1970年50mm；1985年150mm； 2000 年225mm集成电路集成度：1987年 > 100万晶体管/平方厘米,2000 年>1000万(1024K)IBM预测, 2007年, 设计线宽将达到0.01 微米, 芯 片上可集成10亿晶体管
固体化学与无机膜研究所
当前新材料研究热点领域：
●信息技术领域与信息材料
世所公认，我们当前是处于信息时代， 即以信息技术为时代特 征。信息技术主要是指信息的获取、传递、处理、存储、显示 等技术，包括微电子技术，光电子技术，计算机技术，软件技 术，通讯技术，辐射成像技术，高清晰度电视技术等，以这些 技术为基础，互相交叉，形成现代信息高技术和产业。
管状SOFC电池结构示意图
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固体化学与无机膜研究所
固体氧化物燃料电池的结构（2）
自支撑型平板式SOFC
Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC
CH4 H2O
CO2 内重整 CO
H2
阳极
氧离子固体电解质
阴极
H2O
电子
O2
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固体化学与无机膜研究所
固体氧化物燃料电池的结构（1）
Ni-YSZ阳极
燃 料 气
YSZ电解质膜 空气
Ni接触杆 阴极LSM 多孔支撑管
Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC
固体化学与无机膜研究所
●超导材料
以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体 成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；但是， 由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使 用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。
★ GaAs为第二代半导体, 可在300-500℃ 使用, 运算频率可达2000 Mhz而 Si 仅可工作在250℃以下,频率仅为300 MHz
★ GaN为第三代化合物半导体 ,工作放热有可能使电路失效, 发展高热导的II型金刚石是个方向
★ CVD法金刚石薄膜和AlN薄膜,将有效的提高了集成度 ★ 三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发
★ 铁电-Si微集成系统, 具有良好系统功能, 成为当前的研制热点
Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC
固体化学与无机膜研究所
●信息传输光纤材料
多模光纤、新型色散补偿光纤与色散 管理光纤、稀土掺杂光纤和高聚合物光 纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤； 特别是光纤预制棒制造技术是光纤制造 技术的核心，也一直是我国光纤产业发 展的最薄弱环节
固体化学与无机膜研究所
●太阳能利用技术
♣ 单晶硅，多晶硅，非晶硅太阳电池材料； II－VI族化合物 半导体太阳电池材料：ZnSe， CdTe。。。要求：研制出光 电转换效率大于 18%的低成本、大面积、可商业化的硅基太 阳能电池及其组件。
IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。 ♣ 太阳能的综合利用 (光电、热电、热交换)及其与风力发电 的耦合技术；建立总体利用效率达15%的追尾聚集光式太阳 能光电、热电、热交换系统并实用化，建立太阳能综合利用 与风力发电耦合的实用型分布式地面电站，并可并网供电。
固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体 电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质 子交换膜等，都是目前研究的热点。
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固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理