能源材料PPT

一次电池可充电电池（二次电池）燃料电池储备电池（激活电池）能源材料“化学能—电”转换材料（各类化学电池）“光—电”转换材料“热—电”转换材料储能材料“化学能—电”转换材料，也叫做“化学电源”或“电池”是一种能量转换装置。放电时，化学能转变为电能，充电时,电能转换为化学能储存起来，一次电池的反应不可逆的，二次电池的反应是可逆的。1“化学能—电”转换材料（化学电源）化学电源（电池）主要是由电极（包括电极粘结剂）、电解质、隔膜以及外壳（包括电池封口剂）所组成。电极是电池的核心部分，它是由活性物质和导电骨架所组成。活性物质是指正、负极中参加成流反应的物质，是决定化学电源基本特性的重要部分。电解质在电池内部正、负极之间担负着传递电荷的作用，要求比电导高，电压降要小。电解质有液体电解质和固体电解质之分。1.1化学电源的结构隔膜的作用是防止正、负极活性物质的直接接触，防止电池内部的短路。隔膜的形状薄膜、板材、棒材等。外壳是电池的容器，在化学电源（电池）中，除了锌锰干电池是以锌电池（负极）兼作外壳以外，其它电池都有独立的外科，外壳要求机械强度高、耐针对、耐冲击、耐腐蚀、耐温度的变化。电极是电池的核心。一般电极都是由三部分组成，一是参加成流反应的活性物质；二是为改善性能而加入的导电剂；三是少量的添加剂，如缓冲剂等。1.1.1电极类型及结构化学电源常用的电极有片状、粉末多孔状和气体扩散电极等几种。片状电极是由金属片或板直接制成，锌-锰干电池以锌片冲成圆筒作负极，锂电池的负极用锂片。粉末多孔电极的应用极广，因为电极呈现多孔状时，其直接表面积大，电化学极化和浓差极化小，不易钝化。电极反应在固—液界面上进行，充、放电过程中生成的枝晶少，可以防止电极间的短路。气体扩散电极是粉末多孔电极在气体电极中的应用。电极的活性物质是气体。气体电极反应在电极微孔内表面形成的气—液—固三相界面上进行。目前工业上已经得到应用的气体扩散电极是氢电极和氧电极。典型的电极结构有：双层多孔电极（培根型电极）、防水型电极、隔膜型电极等。1.1.1.2电极粘结剂电极常用的粘结剂一般都是高分子化合物，如聚乙烯醇（PVA），聚四氟乙烯（PTFE），羧甲基纤维素（CMC）等。1.1.1.2化学电源用隔膜化学电源用的隔膜材料有天然或合成的高分子材料，无机材料等。根据原料特点和加工方法不同，可将隔膜分成有机材料隔膜，编织隔膜，毡状膜，隔膜纸和陶瓷隔膜等。1.1.1.3封口剂电池封口剂有环氧树脂，沥青，松香等。1.1.5电池组（电池堆）当需要电池输出高电压或大电流时，可以将若干个电池通过串联、并联、复联的方式组成电池组（电池堆）来使用。一次电池又称为原电池，如果原电池中电解不流动，则成为干电池，由于电池反应本身不可逆，或可逆反应很难进行，所以一次电池放电后不能充电再用。二次电池，习惯上又称为可充电电池或蓄电池，它是充、放电过程能够反复多次循环使用的一类电池。燃料电池又称连续电池，它是将活性物质（燃料）连续注入电池，使其连续放电的一种电池。储备电池又称为激活电池，这类电池的正负极活性物质在储存期不直接接触，使用前临时注入电解液或用其它方法使电池激活。1.2化学电源的分类我们将学习几种有代表性的电池材料。关于一次电池涉及到锌-锰干电池、碱性锌-锰电池、锌-汞电池、镉-汞电池、锌-银电池、碱性锌-空气电池、锂电池、锂离子电池、一些固体电解质电池（银-碘电池）。关于二次电池涉及到铅酸蓄电池、镉-锰电池、氢-镍电池、金属氢化物-镍电池（MH-Ni电池）、固体电解质电池（钠-硫电池）、锂电池、锂离子电池、一些固体电解质电池。关于燃料电池涉及到碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇（DMFC）燃料电池。关于储备电池涉及到热激活电池、水激活电池。具体有锌-银电池、镁-银电池、铅-高氯酸电池等。1.3化学电源的应用化学电源具有能量转化效率高、方便、安全可靠等优点，所化学电源被广泛地用于工业、军事及日常生活之中。一次电池常用于低功率和中等功率的放电.这种电池外形多为圆柱形、钮扣式、扁形，常以单体或电池组的形式用于各种便携式电器和电子设备。圆柱形电池广泛用于照明、信号、报警装置、收音机、收录机、计算器、电动剃须刀、吸尘器等家庭生活用品上；钮扣式电池用于手表、计算器、电子词典等物品；薄形电池用作CMOS电路记忆储存电源等。此外，一次电池还广泛用于军事便携通讯、雷达、气象和导航仪等。二次电池及其电池组常用于较大功率放电，汽车启动、照明、点火、应急电源人造卫星、宇宙飞船。此外，二次电池组在电动车辆动力方面也显示出了广阔的应用前景。燃料电池适合于长时间连续工作的场合，可以用于电动车辆的动力，也可以作为发电厂的发电装置，据介绍，美国的NASA曾经成功地将燃料电池应用于阿波罗飞船的登月飞行和载人航天器中。储备电池可用作导弹的电源、心脏起搏器的电源等。1.4各类电池的简介1.4.1一次电池在化学电源中，一次电池的历史最为悠久，产量最大，应用最为广泛。这种电池不能用简单的方法再生，不能充电，用后要废弃。典型的一次电池有锌-锰电池——包括传统的勒克郎谢电池、纸板电池、碱性锌-锰电池、无汞锌-锰电池，锌-氧化汞电池、锌-空气电池。1.4.2二次电池二次电池以铅酸蓄电池、镉-镍电池、氢-镍电池为其典型代表，此外固体电解质电池、锂电池、锂离子电池是非常有前途的三类二次电池，尤其是锂电池、锂离子电池既可以作为一次电池，也可以作为二次电池，最有发展前途。1.4.3激活电池又称“贮备电池”，电池正负极活性物质和电解质在贮存期间不直接接触。激活电池在使用前处于惰性状态，使用时借助动力源作用于电解质，使电池激活，激活方式有气体激活，液体激活和热激活，一般来说，激活电池能够贮存几年甚至十几年。1.4.4燃料电池在上一次课中，我们讲了能源材料之一——原电池的情况，今天我们介绍燃料电池、光—电转换、热—电转换材料的情况。原电池和燃料电池都属于电池，但是实际上它们具有很大的区别：原电池是能量储存装置，而燃料电池则是能量转换装置，它需要不断地通入燃料（在阳极，即负极）和氧化剂（在阴极，即正极），将氧化反应的化学能直接转换为电能，燃料电池所用的氧化剂一般为氧气或空气。我们知道，原电池所能够发出的最大电能是参入电化学反应的化学反应的化学物质完全反应时所产生的电能，当全部的反应物质消耗完毕以后，原电池就不再发电了。但是对于燃料电池来讲，如果不考虑元件的老化和故障等因素（燃料电池有一定的寿命），只要不断地向燃料电池提供燃料和氧化剂，燃料电池就能够连续不断地发出电力。燃料电池的种类很多，关于燃料电池的分类也有很多种：其基本分类有两种：直接燃料电池和非直接燃料电池。直接燃料电池是直接利用通入的燃料来发电。直接燃料电池也有直接型（一次电池，反应产物被排放掉）和再生型（二次电池，利用热再生、充电再生、光化学再生、放射化学再生的方法将反应产物再生为反应物）。非直接燃料电池是指所通入的燃料并不被燃料电池直接使用，需要进一步加工处理，其产物才能够被燃料电池所使用。它也有两种类型；一种是“重整型”燃料电池，是指对有机燃料加工使其转变为氢气，而后被燃料电池直接使用；另一种是“生化型”燃料电池，生化物质在一些酶的作用下转换为氢气，而后被燃料电池直接使用。燃料电池按照工作温度的高低可以分为低温燃料电池[包括氢-氧、有机物-氧、氮化物（氨、肼等）-氧、金属-氧、氢-卤素、金属-卤素等型式的燃料电池]、中温燃料电池（包括氢-氧、有机物-氧、氨-氧）、高温燃料电池（包括氢-氧、CO-氧）、超高温燃料电池。它们所对应的工作温度范围分别为25℃~100℃；100℃~500℃；500℃~1000℃和1000℃以上。按照电解质的不同，燃料电池又可以分为五大类：碱性燃料电池（简称AFC，AlkalineFuelCell）、磷酸燃料电池（简称PAFC，PhosphorousAcidFuelCell）、熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFC，MoltenCarbonateFuelCell）、固体氧化物燃料电池（简称SOFC，SolidOxideFuelCell）、质子交换膜燃料电池（简称PEMFC，ProtonExchangemembraneFuelCell）。另外，关于直接甲醇燃料电池（简称DMFC，DirectMethanolFuelCell）由于它所使用的电解质是质子交换膜，所以人们一般将它归类为质子交换膜燃料电池。下表是这五大类燃料电池的主要特性与用途。电池类型_简称AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC电解质KOH磷酸Li2CO3-K2CO3YSZPEM电解质形态液体液体液体固体固体阳极Pt/NiPt/CNi/Al，Ni/CrNi/YSZPt/C阴极Pt/AgPt/CLi/NiOSr/LaMnO3Pt/C工作温度，℃50~20060~80150~220~650900~1050应用航空、航天，共发电，机动车，共发电共发电共发电，机动车领域机动车轻便电源便携式电源注：①YSZ是氧化钇稳定的氧化锆；②PEM是质子交换膜的简称，目前常用的有美国杜邦（DuPont）公司的Nafion膜和道尔（Dow）公司的Dow膜。单个燃料电池的工作电压大约0.7V，为了获得实际需要的电压，需将几个、几十个甚至几百个燃料电池连接起来，组成所谓的电池堆。在电池堆中，两个相邻的燃料电池通过一个双极板。双极板的一侧与前一个燃料电池的阳极相连，另一侧与后一个燃料电池的阴极相连。燃料电池的优点是：具有高效率、高可靠性、良好的环境效益、良好的操作性能、发电计划和容量调节的灵活性。燃料电池还存在的问题和制约发展的因素：①市场价格昂贵；②高温时寿命以及稳定性不够理想；③燃料电池技术不够普及；④没有完善的燃料供应体系。2太阳能电池（光-电转换材料）太阳能电池是利用太阳光与材料相互作用直接产生电能的。太阳电池发电是基于光伏效应（或称作“光生伏打效应”或“光电效应”，PhotovoltaicEffect）。具体来说，就由太阳光的光量子与材料相互作用能够产生光生载流子。当将所产生的电子—空位对依靠半导体内形成的势垒分开而到达两极时，两极之间就会产生电势差，这就是光伏效应。太阳能电池材料：目前，用来产生光伏效应的材料只有半导体材料。制作太阳电池的半导体材料有元素半导体、化合物半导体和各种固溶体。实际上，在半导体中可利用各种势垒（如pn结等）来形成光伏效应。P型半导体为空位导电，n型半导体为电子导电。无光照时，在扩散作用下，n区的过剩自由电子向p区扩散，使其带负电，p区的过剩空位向n区扩散，使其带正电，pn结两边形成电位差，即内建电场—势垒电场，内建电场阻止载流子通过pn结进一步扩散，从而造成平衡状态。在光照下，大于一定能量的光子，在p区和n区会激发产生光生载流子，即电子和空位对。它们扩散到pn结附近时受到内建电场作用，电子驱向n区，空穴驱向p区，使得n区有过剩的电子，p区有过剩的空位。这样，pn结附近又形成一个与内建电场方向相反的电场—光生电场，即p区和n区之间产生光生伏特电动势，从而形成光伏效应。目前最有希望大量应用的是硅太阳电池，单晶硅太阳电池的光电转换效率高，但材料价格较贵。多晶硅太阳电池效应达到13%，半导体GaAs的转换效率可达20%~28%，太阳电池的转换效应与结构有关。除此以外，还有一些固溶体，主要有GaAlAs、GaInP、InGaAs、CuInGaSe2、SiGe、SiC等，这些固溶体的物理性能随固溶体的组成比例而变化。因此可以利用这一特点调整参数，以满足太阳能电池的要求。3热-电转换材料1882年，德国物理学家塞贝克发现了第一个温差电现象(thermoelectricphenomena),后被称为塞贝克效应。后来，科学家又发现了珀耳帖效应和汤姆孙效应。这三种温差电效应是相互关联的。从19世纪以后，利用塞贝克效应的温差电偶(也称为热电偶)(thermoelectriccouple)已被广泛用于温度的测试