1、1新能源材料新能源材料 New Energy Materials 熊小慶熊小慶紡織與材料工程學(xué)院紡織與材料工程學(xué)院2主要分類主要分類太陽能電池材料太陽能電池材料鋰離子電池材料鋰離子電池材料裂變反應(yīng)堆材料裂變反應(yīng)堆材料3 能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ), ,是現(xiàn)代是現(xiàn)代文明的三大支柱之一文明的三大支柱之一。 目前，世界能源消耗還是以煤、石油、天然氣之類目前，世界能源消耗還是以煤、石油、天然氣之類的的礦物能源礦物能源為主，不但為主，不但嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，而且，而且礦礦物能源不可再生物能源不可再生，能源枯竭能源枯竭已成為共識。已成為共識。

2、 煤炭開采煤炭開采海上石油開采平臺海上石油開采平臺嚴(yán)重的生態(tài)破壞嚴(yán)重的生態(tài)破壞4 生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞：生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞： 19521952年年1212月，倫敦月，倫敦?zé)熿F煙霧； 酸雨；酸雨； 河流河流干涸；干涸；56 巨大的能源危機(jī)：巨大的能源危機(jī)：已開采已開采800800億噸石油，按現(xiàn)在的開采速度，億噸石油，按現(xiàn)在的開采速度， 地球上已探明地球上已探明的的17701770億噸億噸石油石油儲量儲量僅夠開采僅夠開采5050年年; ;已探明的已探明的173173萬億立方米萬億立方米天然氣天然氣僅夠開采僅夠開采6363年年；已探明的已探明的98279827億噸億噸煤炭煤炭還可用還可用300300年到年

3、到400 400 年年; ;已探明的已探明的鈾鈾儲量約儲量約490490萬噸，萬噸，釷釷儲量約儲量約275275萬噸，全球萬噸，全球441441座座核電站每年消耗核電站每年消耗6 6萬多噸濃縮鈾，萬多噸濃縮鈾，僅夠使用僅夠使用100100年左右年左右。 世界各國世界各國水能水能開發(fā)也已近飽和，開發(fā)也已近飽和，風(fēng)能、太陽能風(fēng)能、太陽能尚無法滿足尚無法滿足人類龐大的需求。人類龐大的需求。7 我國作為發(fā)展中大國，我國作為發(fā)展中大國，能源消耗巨大，能源利用能源消耗巨大，能源利用率不高，能源結(jié)構(gòu)也不合理。率不高，能源結(jié)構(gòu)也不合理。20092009年，年，中國風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到了中國風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到了25.82

4、5.8億瓦億瓦，超過了德國，超過了德國的的25.7725.77億瓦，僅次于美國億瓦，僅次于美國3535億瓦；億瓦；20202020年，中國將投入足以實現(xiàn)年發(fā)電量年，中國將投入足以實現(xiàn)年發(fā)電量150150億瓦的風(fēng)力億瓦的風(fēng)力渦輪機(jī)，渦輪機(jī)，成為世界最大的風(fēng)能生產(chǎn)國成為世界最大的風(fēng)能生產(chǎn)國。盡管在新能源領(lǐng)域有了大規(guī)模的增長，盡管在新能源領(lǐng)域有了大規(guī)模的增長，但風(fēng)力發(fā)電量只但風(fēng)力發(fā)電量只占據(jù)中國電力消耗總量的占據(jù)中國電力消耗總量的1% 1% 。8 為緩解和解決能源危機(jī)，科學(xué)家提出為緩解和解決能源危機(jī)，科學(xué)家提出資源與能源最資源與能源最充分利用技術(shù)充分利用技術(shù)和和環(huán)境最小負(fù)擔(dān)技術(shù)環(huán)境最小負(fù)擔(dān)技術(shù)。 新

5、能源與新能源材料新能源與新能源材料是兩大技術(shù)的重要組成部分。是兩大技術(shù)的重要組成部分。 新能源的發(fā)展必須靠利用新能源的發(fā)展必須靠利用新的原理來發(fā)展新的能源新的原理來發(fā)展新的能源系統(tǒng)系統(tǒng)，同時還必須靠，同時還必須靠新材料的開發(fā)與利用才能使新新材料的開發(fā)與利用才能使新系統(tǒng)得以實現(xiàn)系統(tǒng)得以實現(xiàn)，并提高其利用效率，降低成本。，并提高其利用效率，降低成本。 發(fā)展新能源材料是解決能源危機(jī)的根本途徑發(fā)展新能源材料是解決能源危機(jī)的根本途徑。9 新能源包括新能源包括 太陽能太陽能 生物質(zhì)能生物質(zhì)能 核能核能 風(fēng)能風(fēng)能 地?zé)岬責(zé)?海洋能海洋能 氫能氫能太陽能太陽能氫能氫能風(fēng)能風(fēng)能潮汐能潮汐能地?zé)岬責(zé)岷四芎四?0

6、新能源材料新能源材料是指是指能實現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用能實現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及以及發(fā)展新發(fā)展新能源技術(shù)所需的關(guān)鍵材料能源技術(shù)所需的關(guān)鍵材料，主要包括：，主要包括： 硅半導(dǎo)體為代表的太陽能電池材料硅半導(dǎo)體為代表的太陽能電池材料 儲氫合金為代表的儲氫材料儲氫合金為代表的儲氫材料 鋰離子電池為代表的二次電池材料鋰離子電池為代表的二次電池材料 質(zhì)子交換膜電池為代表的燃料電池材料質(zhì)子交換膜電池為代表的燃料電池材料 鈾、氘、氚為代表的反應(yīng)堆核能材料鈾、氘、氚為代表的反應(yīng)堆核能材料 -11主要特點主要特點新能源材料能把原來使用的能源轉(zhuǎn)變成新能源新能源材料能把原來使用的能源轉(zhuǎn)變成新能源；新能源材料可提高貯能

7、效率，有效進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換新能源材料可提高貯能效率，有效進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換；新能源材料可以增加能源利用的新途徑。新能源材料可以增加能源利用的新途徑。內(nèi)蒙古四王子旗太陽能電池光伏電站內(nèi)蒙古四王子旗太陽能電池光伏電站太陽能熱水器太陽能熱水器12太陽能電池材料太陽能電池材料13 太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位：太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位：地球上一年接受的太陽能總量為地球上一年接受的太陽能總量為3.83.810101818kWkW，遠(yuǎn)大于人類對能源的需求量；遠(yuǎn)大于人類對能源的需求量；分布廣泛，不需要開采和運輸；分布廣泛，不需要開采和運輸；不存在枯竭問題，可以長期利用；不存在枯竭問題，可以長期利用；安

8、全衛(wèi)生，對環(huán)境無污染等。安全衛(wèi)生，對環(huán)境無污染等。人造衛(wèi)星上的太陽能電池人造衛(wèi)星上的太陽能電池14 西班牙塞維利亞太陽能發(fā)西班牙塞維利亞太陽能發(fā)電站電站歐洲最大的太陽能歐洲最大的太陽能電站，可供電站，可供1818萬戶使用，萬戶使用，每年減排每年減排6060萬噸萬噸COCO2 2。槽式太陽能蝶式太陽能16 通過通過光電轉(zhuǎn)化光電轉(zhuǎn)化將將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能加以利用是加以利用是太陽能利用中最活躍的研究領(lǐng)域。太陽能利用中最活躍的研究領(lǐng)域。清華大學(xué)電力國家重點實驗室清華大學(xué)電力國家重點實驗室太陽能電池開發(fā)綜合利用系統(tǒng)太陽能電池開發(fā)綜合利用系統(tǒng)17 太陽能光電轉(zhuǎn)化的核心裝置是太陽電池太

9、陽能光電轉(zhuǎn)化的核心裝置是太陽電池。 太陽電池的工作原理是太陽電池的工作原理是光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)：太陽光照在半導(dǎo)體：太陽光照在半導(dǎo)體p-np-n結(jié)上，形成空穴結(jié)上，形成空穴- -電子對，在電子對，在p-np-n結(jié)內(nèi)建電場的作結(jié)內(nèi)建電場的作用下，光生空穴流向用下，光生空穴流向p p區(qū)，光生電子流向區(qū)，光生電子流向n n區(qū)，接通電區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。原理。光伏效應(yīng)示意圖光伏效應(yīng)示意圖太陽能電池太陽能電池18全球最大規(guī)模的光伏太陽能發(fā)電全球最大規(guī)模的光伏太陽能發(fā)電項目項目鄂爾多斯市政府與美國鄂爾多斯市政府與美國fir

10、st solarfirst solar公司共建公司共建20002000兆瓦兆瓦太陽能光伏發(fā)電廠。太陽能光伏發(fā)電廠。19 世博中國館、主題館，世博中心、演藝中心等永久世博中國館、主題館，世博中心、演藝中心等永久建筑的屋頂和玻璃幕墻上安裝總裝機(jī)容量超過建筑的屋頂和玻璃幕墻上安裝總裝機(jī)容量超過4.684.68兆瓦兆瓦的太陽能電池，每年能減排二氧化碳的太陽能電池，每年能減排二氧化碳40004000噸。噸。 主題館屋面太陽能板面積達(dá)主題館屋面太陽能板面積達(dá)3 3萬多平方米，萬多平方米，是目前世是目前世界最大的單體面積太陽能屋面界最大的單體面積太陽能屋面，年發(fā)電量，年發(fā)電量280280萬度，萬度，每年減排

11、二氧化碳每年減排二氧化碳28002800噸，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤噸，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤10001000多噸。多噸。 世博中國館世博中國館世博主題館世博主題館20 20112011年年5 5月，世界首架月，世界首架無污染太陽能飛機(jī)無污染太陽能飛機(jī)進(jìn)行跨國進(jìn)行跨國飛行飛行( (從瑞士飛抵布魯塞爾需從瑞士飛抵布魯塞爾需1313小時小時) )，飛行高度可飛行高度可達(dá)達(dá)87008700米米，平均飛行速度為平均飛行速度為70-12070-120公里公里/ /小時小時。 用用超輕碳纖維材料超輕碳纖維材料制成，總重制成，總重1.61.6噸，由噸，由4 4臺小型電臺小型電力發(fā)動機(jī)驅(qū)動，力發(fā)動機(jī)驅(qū)動，機(jī)翼配備機(jī)翼配備1.21.2萬

12、個太陽能電池板，萬個太陽能電池板，翼展長度大約翼展長度大約6464米米。 21晶體硅太陽能電池晶體硅太陽能電池 晶體硅太陽電池是以硅半導(dǎo)體材料制成的大面積晶體硅太陽電池是以硅半導(dǎo)體材料制成的大面積pnpn結(jié)，在結(jié)，在p p型硅片上制作很薄的摻雜型硅片上制作很薄的摻雜n n型層，在型層，在n n型層上型層上制作金屬柵線作為正面接觸電極，在背面制作金屬制作金屬柵線作為正面接觸電極，在背面制作金屬膜作為背面接觸電極。膜作為背面接觸電極。 晶體硅太陽電池具有晶體硅太陽電池具有性能穩(wěn)定、資源豐富、無毒性性能穩(wěn)定、資源豐富、無毒性等優(yōu)點等優(yōu)點，是目前市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品。，是目前市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品。單晶硅太陽能

13、電池單晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池多晶硅太陽能電池22非晶硅太陽電池非晶硅太陽電池 非晶硅太陽電池是以非晶硅為基體的薄膜太陽電池非晶硅太陽電池是以非晶硅為基體的薄膜太陽電池，電池效率已達(dá)到，電池效率已達(dá)到1313；世界總組件生產(chǎn)能力達(dá)到；世界總組件生產(chǎn)能力達(dá)到每年每年50MW50MW，應(yīng)用規(guī)模從手表、計算機(jī)等消費品用電，應(yīng)用規(guī)模從手表、計算機(jī)等消費品用電源發(fā)展到兆瓦級的獨立電站。源發(fā)展到兆瓦級的獨立電站。非晶硅太陽能電池非晶硅太陽能電池23化合物太陽能電池化合物太陽能電池 化合物太陽電池所用材料包括化合物太陽電池所用材料包括II-II-VIVI族化合物和族化合物和III-VIII-V族化合物

14、族化合物。 II-VIII-VI族化合物包括族化合物包括CdTeCdTe和和CdSCdS等等，制成的薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率，制成的薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率高、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)。高、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)。 III-VIII-V族化合物包括族化合物包括GaAsGaAs和和InPInP等等，可制成薄膜太陽電池，轉(zhuǎn)換效，可制成薄膜太陽電池，轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性能好，是較理想率高、抗輻照性能好，是較理想的空間太陽電池。的空間太陽電池。太空站上的太空站上的GaAs太陽電池太陽電池高原用的高原用的GdTe太陽電池太陽電池24納米太陽電池納米太陽電池 納米太陽電池納米太陽電池( (簡稱簡稱NPCNPC電池電

15、池) )是一種由是一種由鍍有透明導(dǎo)電鍍有透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電玻璃、多孔納米膜的導(dǎo)電玻璃、多孔納米TiOTiO2 2、染料光敏化劑、固、染料光敏化劑、固體電解質(zhì)膜以及鉑電極體電解質(zhì)膜以及鉑電極組成的一種光電化學(xué)式電池組成的一種光電化學(xué)式電池。納米太陽電池的結(jié)構(gòu)納米太陽電池的結(jié)構(gòu)25 中國尚德電力和澳大利亞斯威本科技大學(xué)中國尚德電力和澳大利亞斯威本科技大學(xué)已研制出最高已研制出最高效的寬波段納米薄膜太陽電池，效的寬波段納米薄膜太陽電池，光電轉(zhuǎn)化效率為光電轉(zhuǎn)化效率為8.1%8.1%。為捕獲更多太陽光，將為捕獲更多太陽光，將金金/ /銀納米粒子銀納米粒子嵌入薄膜中，增加嵌入薄膜中，增加電池可吸收太陽光的波長

16、范圍，提高光子轉(zhuǎn)化電子效率；電池可吸收太陽光的波長范圍，提高光子轉(zhuǎn)化電子效率；進(jìn)一步使用進(jìn)一步使用有核的或表面凹凸不平的納米粒子有核的或表面凹凸不平的納米粒子，大幅提高，大幅提高薄膜的比表面積。薄膜的比表面積。Chen X, Jia B, Saha J K, et al. Broadband enhancement in thin-film amorphous silicon solar cells enabled by nucleated silver nanoparticlesJ. Nano letters, 2012, 12(5): 2187-2192.26鋰離子電池材料鋰離子電池材料2

17、7 一次電池使用后常隨普通垃圾一起被丟棄或掩埋，一次電池使用后常隨普通垃圾一起被丟棄或掩埋，造成資源浪費，同時電池中的重金屬元素泄露也會造成資源浪費，同時電池中的重金屬元素泄露也會污染地下水和土壤。污染地下水和土壤。 二次電池或蓄電池：二次電池或蓄電池：放電時通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能放電時通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，充電時則使體系回復(fù)到原來狀態(tài)，將電能以化學(xué)，充電時則使體系回復(fù)到原來狀態(tài)，將電能以化學(xué)能形式重新儲存起來。能形式重新儲存起來。鎳氫充電電池鎳氫充電電池Li離子充電電池離子充電電池28 傳統(tǒng)二次電池如鉛酸電池和鎘鎳電池理論比能量低傳統(tǒng)二次電池如鉛酸電池和鎘鎳電池理論比能量低，且鉛和鎘都是有毒金

18、屬，對環(huán)境污染極大。，且鉛和鎘都是有毒金屬，對環(huán)境污染極大。 目前應(yīng)用較廣的是目前應(yīng)用較廣的是鎳氫電池鎳氫電池( (表示為表示為Ni/MHNi/MH電池電池) )和鋰和鋰離子電池離子電池( (表示為表示為LIBLIB電池電池) )，不但性能優(yōu)良，而且污，不但性能優(yōu)良，而且污染較小，被稱為綠色電池。染較小，被稱為綠色電池。鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池NiCd充電電池充電電池29Ni/MHNi/MH鎳氫二次電池鎳氫二次電池 Ni/MHNi/MH電池的正極材料采用電池的正極材料采用Ni(OH)Ni(OH)2 2，負(fù)極材料為儲，負(fù)極材料為儲氫合金，電解質(zhì)為氫合金，電解質(zhì)為KOHKOH水溶液。水溶液。 與與Ni

19、/CdNi/Cd電池相比，電池相比，Ni/MHNi/MH電池具有以下優(yōu)點電池具有以下優(yōu)點：能量密度是能量密度是Ni/CdNi/Cd電池的電池的1.5-21.5-2倍；倍；充放電速率高；充放電速率高；耐過充和過放性能好；耐過充和過放性能好；使用壽命長；使用壽命長；低溫性能好；低溫性能好；無無CdCd元素對環(huán)境的污染。元素對環(huán)境的污染。 Ni/MH二次電池二次電池30 Ni/MHNi/MH電池開發(fā)重點是電池開發(fā)重點是大功率、高容量方向大功率、高容量方向。國際上。國際上主要汽車公司如主要汽車公司如GMGM、FordFord和和ToyotaToyota等相繼開發(fā)出等相繼開發(fā)出Ni/MHNi/MH電動汽

20、車和混合電動汽車，電動汽車和混合電動汽車， GMGM公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的Ni/MHNi/MH電池動力車，單次充電后可行駛電池動力車，單次充電后可行駛225km225km，時速為，時速為150150公里。公里。GM生產(chǎn)的生產(chǎn)的EVI汽車，用汽車，用26個個12V的電的電池，池，3小時充電后時速可達(dá)到小時充電后時速可達(dá)到150公里公里31LIBLIB鋰離子二次電池鋰離子二次電池 LiLi是最輕的金屬元素是最輕的金屬元素，它的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是，它的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-3.045V-3.045V，是是金屬中負(fù)電位最大的元素金屬中負(fù)電位最大的元素，因此，因此LiLi負(fù)極電池的開發(fā)負(fù)極電池的開發(fā)受到極大重視，與

21、受到極大重視，與Ni/MHNi/MH電池性能的比較如下。電池性能的比較如下。普通普通Ni/MH，LIB及及Ni/Cd電池性能比較電池性能比較技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)Ni/CdNi/MHLIB工作電壓工作電壓/V1.21.23.7質(zhì)量比能量質(zhì)量比能量/(Wh/kg)30-5050-70100-150體積比能量體積比能量/(Wh/L)150200270沖放電壽命沖放電壽命/次次500500100032 LIBLIB電池具有工作電壓高、比能量高、容量大、循環(huán)電池具有工作電壓高、比能量高、容量大、循環(huán)特性好、重量輕、體積小等優(yōu)點，而且特性好、重量輕、體積小等優(yōu)點，而且LIBLIB無記憶效無記憶效應(yīng)應(yīng)，不需將電

22、放盡后再充電；，不需將電放盡后再充電；LIBLIB自放電小，每月在自放電小，每月在1010以下，以下，Ni/MHNi/MH電池自放電一般為電池自放電一般為3030-40-40。 僅僅20002000年，日本就銷售了年，日本就銷售了4 4億多只億多只LiLi電池。電池。移動電話移動電話Li電池電池數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)Li電池電池筆記本筆記本Li電池電池33裂變反應(yīng)堆材料裂變反應(yīng)堆材料l19641964年年1010月月1616日日成功地爆炸了第一成功地爆炸了第一顆原子彈。顆原子彈。l19671967年年6 6月月1717日日又成功地爆炸了又成功地爆炸了第一顆氫彈。第一顆氫彈。 通用核醫(yī)學(xué)通用核醫(yī)學(xué)核醫(yī)

23、學(xué)是醫(yī)學(xué)的一個分支，它使用小劑量的放射性物質(zhì)診斷或治療各種疾病核武器廣島市廣島市8080的建筑物化為灰燼，的建筑物化為灰燼，6.86.8萬萬人當(dāng)場喪生，人當(dāng)場喪生，5 5年后因原子彈死亡人數(shù)年后因原子彈死亡人數(shù)達(dá)到達(dá)到24.724.7萬人；長崎市萬人；長崎市6060的建筑物被的建筑物被摧毀，當(dāng)場傷亡摧毀，當(dāng)場傷亡8.68.6萬人，萬人，5 5年后共死亡年后共死亡1414萬人。該地區(qū)核爆炸的幸存者也不同萬人。該地區(qū)核爆炸的幸存者也不同程度受到放射性污染，患了各種怪異的程度受到放射性污染，患了各種怪異的后遺癥，在隨后幾年中，又有大批人痛后遺癥，在隨后幾年中，又有大批人痛苦地死去。苦地死去。 核能：

24、在原子核發(fā)生變化時放出的能量。核能：在原子核發(fā)生變化時放出的能量。獲得核能的兩條途徑是：獲得核能的兩條途徑是： (1) (1)重核的裂變：原子彈重核的裂變：原子彈 (2) (2)輕核的聚變：氫彈輕核的聚變：氫彈1 1、核能、核能2 2、核能的主要優(yōu)點、核能的主要優(yōu)點 1、核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的、核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物污染物質(zhì)質(zhì)到大氣中，因此核能發(fā)電不會造成空氣污染。到大氣中，因此核能發(fā)電不會造成空氣污染。 2、核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，、核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，核能電核能電廠所使用的燃料體積小，運輸與儲存都很方便廠所使用的燃料

25、體積小，運輸與儲存都很方便，一座，一座1000百萬瓦的核能電廠一年只需百萬瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料，一公噸的鈾燃料，一航次的飛機(jī)就可以完成運送。航次的飛機(jī)就可以完成運送。3、核能發(fā)電、核能發(fā)電不會產(chǎn)生加重地球溫室效應(yīng)的二氧化碳不會產(chǎn)生加重地球溫室效應(yīng)的二氧化碳。3 3、核能的原料、核能的原料鈾 : 1896年法國物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾具有天然放射性。 二、核能與核能利用二、核能與核能利用核裂變核裂變(nuclear fission)(nuclear fission)是大核分裂為小核的過程是大核分裂為小核的過程. . 普通的核武器和核電普通的核武器和核電站都依賴于裂變過程產(chǎn)生的能量。站都依賴于裂變過程產(chǎn)生的能量。 鈾鈾-235的裂變與核武器的裂變與核武器 發(fā)生鏈反應(yīng)發(fā)生鏈反應(yīng)爆炸爆炸 2 3U23592n10Te13752Zr9740n10Kr9136U23592n10Ba14256n10 足以維持鏈反應(yīng)正常進(jìn)行的裂變材料質(zhì)量叫足以維持鏈反應(yīng)正常進(jìn)行的裂變材料質(zhì)量叫臨界質(zhì)量臨界質(zhì)量(critical