新能源材料概论

新能源及其新材料目录能源现状新能源及其发展现状能源分类能源分类一次能源二次能源(经转换或提炼）可再生能源非再生能源风能，水能，太阳能，地热，海洋能，生物能化石燃料（煤，石油，天然气）铀电能，氢能，汽油，柴油等(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。人类社会的发展伴随着能源消耗的增加。能源应用现状表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。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495726260中国236110230(5)矿物燃烧造成环境污染。（SO2、CO、CO2、NO）（植被、土壤；气候；健康）图2世界CO2排放量随时间的变化(6)新能源的开发不断取得进展太阳能、生物能、核能、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。(7)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。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。(8)能源材料的概念及分类广义上，凡能源工业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%。各种能源的消费比例图我国石油产品需求预测2010年，万吨2020年，万吨汽、煤、柴油17750-1890021700-28800润滑油520-560560-770燃料油29002700化工用油4700-56007200-8700其它5400-55006600-6700石油产品合计31300-3350038800-47700国内石油需求3.3-3.5亿吨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)无穷大约45年约15约61年约30约230年约81约71年约50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P8050100150200250300太阳能石油天然气煤铀世界中国二氧化碳是化石能源的最终排放形态化石能源及其现状表3全球各国CO2排放量比较排行汽车油耗占汽柴油诮费的比例(2002)耗油量，万吨占消费量，%汽油车282575.5柴油车188824.2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，中国居第二2010550ppm从左图大气CO2浓度随年代的变化及其在全球的分布图可以看出：很明显，近20年来，CO2的浓度上升迅速非常迅速，2010年将接近550ppm。而且，主要分布在美国和中国所在的北半球高纬度60-80度处。CO2大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！“温室效应”使地球变暖带来的严重后果A、根据IPCC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。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”（ExtrenmeEventlndex）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、危害严重化石能源及其现状应对气候变化的国际行动为应对全球气候变化，国际社会制定了《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》。许多国家和非政府组织相应建立了碳基金，并以此为平台开展减排和碳汇项目。以实际行动参与应对气候变化联合国气候变化框架公约新能源及其发展现状美国和欧洲各国在1974-1975年和1979-1982年爆发了两次特能源危机不依赖石油的电动汽车自然再次成为研究的热点几种二次电池的性能比较：技术参数镍镉电池镍氢电池锂离子电池工作电压(V)1.21.23.6质量比能量(wh/kg)40-5080100-160体积比能量(wh/L)150200270-300寿命(次)5005001000自放电率(%/月)25-30206-8充电速率(C)1C1C1C锂离子电池的特点高比能量(180-200Wh/Kg)长循环寿命(500-1000次)高电压(3.6V)低自放电(6-8%/月)无记忆效应绿色能源不断涌现的电子新产品需要性能更优的电源如：Apple公司出品iPodphoto播放音乐最长达15小时；播放有音乐的幻灯片最长达5小时APPLE的iBook需用容量为:3300mAh，10.8V的锂离子电池市场期待己久的电动车需要功率更大的电池，因而出现了第二代的锂离子电池第二代锂离子电池的特征：大容量、高电压、长寿命、低价格第二代锂离子电池的R&D;以美囯能源部车用技术办公室支持的“先进运输用电池”项目（BATT）代表一、第二代锂离子电池★寿命达10年；★10年内容量衰退20%；★充放电1000次；★工作温度–40～650C；★比能量170wh/kg；★比功率300w/kg；★成本150$/kwh@20k/年(即每年每20k单元的价格$150)BATT项目要求：低成本、大功率、长寿命★正极LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料；xLi2M′O3·(1-x)LiMO2复合材料，其中M′=Mn,Ti,Zr,Ru，M=Li,MnNi,Co（替代LiCoO2）xLi2M′O3·(1-x)LiMO2，容量达190mAh/g(50℃，100次充/放电)；xLi2M′O3·(1-x)LiMO2，容量达300mAh/g(4.6～1.45V)★负极a镀碳石墨负极；bSn、Sb基中间金属化合物负极：如Sn箔，它比Cu6Sn5好，在100次充/放电下可逆电化学容量大于300mAh/g(2000mAh/ml)★比功率(18秒内放电)：900w/kg；★能量密度：1450w/l；★比能量：75wh/kg；★循环寿命(25wh次)：300,000；★使用寿命：15年；★售价：但高于计划指标2-4倍进展：高能锂离子电池研究成果：一、第二代锂离子电池2004美国能源部(DOE)修订了混合动力车的储能目标：★到2010年，研制出300Wh、25kW（18秒内放电）使用寿命15年的电动火车用电池；★混合动力车用电池组指标：◆脉冲放电功率：25～40kw(10秒内)◆总可用能量：0.3～0.5KWh◆循环寿命：300k～50wh次(15Mwh)◆使用寿命：15年◆生产价格：$500～800100k单位/年◆工作电压：0.55～400Vdc◆工作温度：-30～+52℃一、第二代锂离子电池L333是日本Mitsui，Tanaka、Seimi公司研制的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2（称为L333）材料，C/2倍率下半电池实验表明L333(Seimi)正极材料具有高的放电容量和好的循环性能BATT项目推荐L333材料作为下一代动力锂离子电池正极材料一、第二代锂离子电池开发Li/S电池它具有比现有锂离子电池更好的性能★比嵌锂氧化物便宜，故Li/S电池的成本比现有锂离子电池低；★以Li为负极比以非活性的炭为负极的电池的能量密度高；★即使过充电也不会有很严重的安全问题；★USABC和PolyPlus,IncofBerkeley,CA签定了长期合作计划研发Li/S电池超级电容器Supercapacitor（与蓄电池相似而又不同的一类储能器件或储能装置）★电容量比传统电容器大20—200倍；充放电能力大——放电电流200A；充放电速度快循环寿命长维护简单★电池+超级电容器：可提供高的电能量和电功率，满足电动汽车启动、加速、爬坡、制动之大功率需求超级电容器产品的性能与主要应用领域电动车用小型储能动力型超级电容器牵引型超级电容器★根据电极材料命名有：碳电极电化学电容器：–电极材料：活性碳，碳基聚合物，碳纳米材料；–电解质：H2SO4水溶液或有机电解质或含有四烃基氨盐的固体电解质（其比表面积达1000m2/g）–双电层间距离：2—3A；–贮存容量：200—500F/g；–产品电容器的比功率密度；4000W/kgC电极表面双电层形成示意图★碳电极材料主要通过吸附电解液中的离子在电极表面形成双电层来完成储能过程二、超级电容器2.贵金属氧化物电极电化学器–电极材料：RuO2，IrO2等–优点：由于RuO2电极的导电率比碳大2个数量级，在电解质H2SO4中稳定，电容器有更高的比能量，发展前景更好导电聚合物电极电化学电容器：电极材料：可进行n型掺杂的导电聚合物，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。优点：它比贵金属电化学电容器性能更优良研制全固体电化学电容器是今后R+D的重要课题成品电容器近期目标远期目标能量密度5Wh/kg15Wh/kg功率密度500w/kg1500w/kg能量(Wh)500750重量(kg)10050美国能源部提出的近期和长远发展目标超级电容器研究的几个方向★进一步提高超级电容器的能量密度和功率密度★降低成本,特别是降低电极材料的成本★提高电容器的可靠性，延长循环寿命太阳能：最清洁、最强大的能源，取之不尽，用之不竭；地面上，晴天，每平方米植物表面可接受1000W能量2000年以来美国推出了“国家光伏计划”,日本的“阳光计划”,欧洲的“尤里卡高科技计划”;日韩欧合作建设全球规模最大的太阳能发电站;欧洲五家PV制造公司对日本五家公司展开激烈竞争……促进了PV的R&D、生产、应用迅猛发展;太阳光能利用是近年来发展最快、最具活力的领域太阳能公寓太阳能的利用太阳能的应用研究,美国、日本和德国等欧洲国家开展的比较早,目前在光热转换、光电技术方面的研究较为成熟太阳能科技发展的两大趋势:一是光与电结合,二是太阳能与建筑的结合。太阳能应用途径有光热转换、光电转换和光化学转换三种方式三、第三代高效太阳能电池、光电容器大面积太阳能电池板(发电站用)美