新能源材料考试大纲.

新能源材料知识总结（01）2014.04.08第一章绪论1.何谓能源？能源如何分类？能源的定义：比较集中的含能体或能量过程。分类：1）按地球上的能量来源a.地球本身蕴藏的能源：核能，地热能b.来自地球外天体的能源：太阳能，水能，风能c.地球与其它天体相互作用的能源：潮汐能2）按利用能源的成熟程度：a.常规能源：技术上成熟，经济上合理，已大规模应用。如火电、水电、煤炭、石油等。b.新能源：技术或经济上的原因，还未能大规模应用的清洁和可再生能源。如太阳能，地热能，潮汐能，生物质能，核能。3)按能源的利用层次：a.一次能源：自然界中存在，未经转换加工的能源。如煤炭、原油、柴草等。b.二次能源：由一次能源经加工或转换而成的能源产品。如电能、焦炭、氢能、蒸汽、汽油等。4）按能否再生：a.可再生能源:能不断再生，永不枯竭。包括太阳能、水能、生物质能、风能、地热能、海洋能.。b.不可再生能源:不能再生，总有一天要枯竭。如石油、煤炭、天然气、核能等。5)按对环境的污染情况：a.清洁能源：对环境无污染，如太阳能、水电、氢能等。b.非清洁能源：对环境有较大的污染，如火电、核燃料等。举例：填空题和论述题1.按人类利用能源的成熟程度分为常规能源和新能源。2.一次能源是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。3.二次能源是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。4.煤炭、石油、天然气、太阳能、风能等都是一次能源；电能、汽油、柴油、焦炭、氢能等都是二次能源。5.联合国公认的14种新能源和可再生能源有哪些？第二章镍氢电池1.电池是一种利用电化学的氧化-还原反应，进行化学能和电能之间转换的储能装置。2.能导电的物质称为导电体，通常分为两类：a.第一类导体，又称电子导体(electronicconductivebody)，如金属、石墨或某些金属氧化物等。b.第二类导体，又称离子导体(ionicconductivebody)，如电解质溶液、熔融电解质等。3.形成原电池的条件:a.条件一：两种活动性不同的金属;或一种金属与石墨作电极。（活泼的金属是电池的负极，不活泼金属（或非金属导体）是电池的正极。）b.形成条件二:电极需插进电解质溶液中。（根据电解材料，可以选择酸、碱、盐溶液作为组成的电解质溶液。）c.形成条件三:必须形成闭合回路。（导线用以连接两极，才能使浸入电解质溶液的两极形成闭合回路，组成正在工作的原电池。）4.液体接界电势液体接界电势为两种不同溶液的界面上存在的电势差。它是由溶液中离子扩散速度不同引起的。减小办法：加盐桥（盐桥液中电解质的阴、阳离子迁移数应接近）。盐桥的作用：是保持电中性的和沟通回路.保持电中性就是保证其连接的两个半电池中的电解质溶液呈中性(正负电荷相等).因为化学原电池进行反应时溶液中的离子得失电子,使得半电池溶液正电荷或负电荷偏多,盐桥的存在可为它们提供相应的电荷,从而在盐桥中产生电流,与外部反应结合,构成闭合回路保证原电池反应的进行.5.电极极化电流通过电极时，电极电势偏离平衡电极电势的现象称为电极极化。（1）浓差极化：在电解过程中，电极附近某离子浓度由于电极反应而发生变化，本体溶液中离子扩散的速度又赶不上弥补这个变化，就导致电极附近溶液的浓度与本体溶液间有一个浓度梯度，这种浓度差别引起的电极电势的改变称为浓差极化。(2)电化学极化：电极反应总是分若干步进行，若其中一步反应速率较慢，需要较高的活化能，为了使电极反应顺利进行所额外施加的电压称为电化学超电势（亦称为活化超电势），这种极化现象称为电化学极化2019/12/29.7.一次电池：只能进行一次放电的电池，不能进行充电而再利用。能量储存，一次性，活性物质消耗到一定程度就不能再用，小型方便。二次电池（蓄电池）：反复进行还能够充电、放电而多次使用的电池，也叫蓄电池或充电电池。能量储存，循环使用，可充电电池。燃料电池：把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。电池一次电池二次电池锌锰干电池银锌纽扣电池锌汞电池铅酸蓄电池金属氢化物镍电池锂离子电池6.电池分类甲烷燃料电池铝-空气燃料电池熔融盐燃料电池燃料电池2019/12/29.8.电池组成：由金属铅板(负极)和紧附着二氧化铅的铅板(正极)浸入30％（密度为1.2—1.3g/cm3）的硫酸水溶液所组成。蓄电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，它的工作原理就是把化学能转化为电能。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。铅蓄电池在使用一段时间后要补充硫酸，使电解质保持一定浓度的稀硫酸。铅酸蓄电池用于汽车、小型电动机车作为启动电源，用于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、拖拉机、坦克的照明光源。铅酸蓄电池的示意图如图所示，简化的电池表示为：7.铅酸蓄电池()Pb│H2SO4(aq)│PbO2(+)2019/12/29.9.8.金属氢化物镍电池(Ni/MH)工作原理Ni/MH电池的正极活性物质采用氢氧化镍，负极活性物质为储氢合金，电解液为碱性水溶液（如KOH溶液）。工作原理示意图--M:储氢合金;MH:吸附了氢原子的储氢合金镍氢电池的全称是“金属氢化物镍电池”,它在充放电过程中利用了储氢合金的电化学吸附和释放氢的可逆性,产生电动势。其具体反应如下:2019/12/29.10.9.金属氢化物镍电池(Ni/MH)工作原理Ni/MH电池的充放电过程可以看作是氢原子或质子从一个电极移到另一个电极的往复过程。在充电过程中，通过电解水在电极表面上生成的氢是以原子氢被储氢合金吸收，并向储氢合金内部扩散，进入并占据合金的晶格间隙，形成金属氢化物。在充电后期正极有氧气产生并析出，氧透过隔膜达到负极区，与负极进行复合反应生成水，其反应为：Ni/MH电池的失效在很大程度上是由于负极对氧气复合能力衰减，导致电池内压升高，安全阀开启，漏液和漏气。Ni/MH电池由正极，负极，隔膜纸，电解液，钢壳，顶盖，密封圈等组成；a.氢氧化镍正极，储氢合金负极；正负极用隔膜纸分开卷绕在一起，密封在钢壳中；b.电解质由水溶液组成，其主要成分为氢氧化钾。KOH不仅起离子迁移电荷作用，而且参与了电极反应；c.利用氢的吸收和释放的电化学可逆反应。2019/12/29.11.10.金属氢化物镍电池(Ni/MH)的结构和特性圆柱形Ni/MH电池的结构示意图优点：能量密度高，同尺寸是镍镉电池的1.5-2倍。低温放电性能好；循环寿命长，充放电500次。可大电流快速充放电。Ni/MH电池工作电压1.2V，与Ni/Cd电池具有互换性等独特优势。绿色电池，对环境不存在任污染问题，可再生利用，镍氢电池前景乐观，取代镍镉电池,符合持续发展的理念。缺点：初始成本太高，价格昂贵。镍氢电池的记忆效应和充电发热等方面的问题直接影响到该电池的使用。除此以外，镍氢电池自放电率高、比能量较小，只能用在HEV上，这些缺点的存在使镍氢电池只能是过渡产品。记忆效应是指在电池充放电过程中，会在电池极板上产生许多小气泡，时间一久，这些气泡会减少电池极板的面积，也间接影响电池的容量。有爆炸的可能性。2019/12/29.12.11.金属氢化物镍电池(Ni/MH)的优缺点2019/12/29.13.12.金属氢化物储氢特点2019/12/29.14.锂离子电池13.储氢合金负极材料储氢合金是由易生成稳定氢化物的元素A（如La、Zr、Mg、Ti、V等)与其他元素B（如Cr、Mn、Fe、Co、Ni等）组成的金属间化合物。14.晶体与非晶体1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。晶体有固定的熔点，而非晶体则没有。15.金属晶体结构基础知识晶格、晶胞和晶格常数空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。空间点阵中的点－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。•在元素周期表一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。而这80多种金属的晶体结构大多属于三种典型的晶体结构。它们分别是：1、体心立方晶格（BCC）2、面心立方晶格（FCC）3、密排六方晶格（HCP）16.典型晶体结构及其几何特征•晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大,原子排列紧密程度越大。体心立方晶胞的致密度为：晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据,其余为空隙。17.致密度储氢合金作为Ni/MH电池的负极材料应用，是由于其具有独特的储氢和电化学反应双重功能。一般需具备以下主要特征：(a)电化学储氢容量高，吸氢能力高；（b）储氢时生成热应尽量小，便于释氢时的温度不必太高。而作为储存热量作用时，则生成热应该越高越好。（c）储氢和释氢的速度都要求快；(d)在氢的阳极氧化电位范围内，储氢合金具有较强的抗氧化性能；(e)在热碱电解质溶液中合金组分化学性质相对稳定；(f)化学稳定性好，经久耐用，反复充放电过程中合金不易粉化；(g)合金应有良好的电和热的传导性；(h)原材料来源广，成本低廉。2019/12/29.19.18.储氢合金负极材料需具备的主要特征目前研究的储氢合金负极材料主要有AB5型稀土镍系储氢合金、AB2型Laves相合金、AB型Ti-Ni系合金、A2B型镁基储氢合金以及V基固溶体合金等。它们的主要特性见下表：储氢合金是由易于生成稳定氢化物的元素，如（La,Zr,Mg,V,Ti)等与其他元素（非氢化物形成元素，如Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Al等）组成的金属间化合物。合金类型氢化物合金组成吸氢量(%，质量分数)电化学容量/(mA·h/g)理论值实测值AB5型LaNi5H6MmNia(Mn,Al)bCoc(a=3.5-4.0,b=0.3-0.8,a+b+c=5)1.3348330AB2型TiMn2H3,ZrMn2H3Zr1-xTixNia(Mn,V)b(Co,Fe,Cr)c(a=1.0-1.3,b=0.5-0.8,a+b+c=2)1.8482420AB型TiFeH2,TiCoH2ZrNi1.4,TiNi,Ti1-xZrxNia(a=0.5-1.0)(?)2.0536350A2B型Mg2NiH4(MgNi)3.6965500V基固溶体型V0.8Ti0.2H0.8V4-x（Nb,Ta,Ti,Co)xNi0.53.810185002019/12/29.20.19.几种典型的储氢合金负极材料•球形Ni(OH)2正极材料Ni(OH)2是涂覆式Ni/MH电池正极使用的活性物质。电极充电时Ni(OH)2转变成NiOOH，Ni2+被氧化成Ni3+电极放电时NiOOH逆变成Ni(OH)2，Ni3+还原成Ni2+2019/12/29.21.21.氢氧化镍电极的充放电机制-第三章锂离子电池材料1.嵌脱反应指涉及客体物质可逆地嵌入主体基质结构而主体结构基本不变的固态反应。主体提供可到达的末占据位置(如四面体、八面体的间隙位置或层状化合物层与层之间存在的范德华空隙等)。反应可示意性地表达为：xG+□X[Hs]→GX[Hs]1-1所生成的非化学计量化合物GX[Hs]称为嵌入化合物(简称嵌合物)。2.锂离子电池工作原理锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。锂离子电池的工作原理示意图锂离子电池工作原理正极反应：LiMO2Li1-xMO2+xLi++