能源是與人類社會的生存和發(fā)展休戚相關(guān)的。人類社會的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加，另一方面，隨著科技進步包括能源技術(shù)的進步，單位GDP的能耗正逐步降低。

為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，科學(xué)工作者提出了資源與能源最充分利用技術(shù)（maximumenergyandresourecesutilization,MERU)和環(huán)境最小負(fù)擔(dān)技術(shù)（minimumenvironmentalimpactMEI)等。

§2.2前言

第二章能源材料(2)現(xiàn)廣泛使用的礦物能源面臨枯竭的前景，并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。能源材料是指那些正在發(fā)展的，可能支撐新能源體系的建立，滿足各種新能源及節(jié)能新技術(shù)所要求的一類材料。按使用目的可分為：新能源材料、節(jié)能材料和儲能材料。如太陽能電池材料、儲氫材料、固體氧化物燃料電池材料等。

新材料的作用：新材料把原來習(xí)用已久的能源變成新能源一些新材料可提高儲能和能量轉(zhuǎn)化效果新材料決定著核反應(yīng)堆的性能與安全性材料的組成、結(jié)構(gòu)、制作與加工工藝決定著新能源的投資與運行成本。

新能源材料的任務(wù)及面臨的課題：

研究新材料、新結(jié)構(gòu)、新效應(yīng)以提高能量的利用效率與轉(zhuǎn)換效率。能源的合理利用。安全與環(huán)境保護材料規(guī)模生產(chǎn)的制作與加工工藝延長材料的使用壽命。一些主要的新能源材料：金屬氫化物鎳電池材料鋰離子二次電池材料燃料電池材料太陽能電池材料核能材料一、起源生物電池的疑惑：1780年，(LuigiGaluarni1737～1798)源起1786年11月6曰，意大利Bologna大學(xué)解剖學(xué)教授(LuigiGalvani)在偶然中發(fā)現(xiàn)放在起電機旁的一只已解剖的青蛙，當(dāng)用外科手術(shù)刀觸及蛙腳上外露的神經(jīng)時，蛙腳就劇烈地抽搐。他對這一現(xiàn)象十分驚訝，于是著手探討這種現(xiàn)象的起因?！?.3

電池及其材料現(xiàn)象當(dāng)把蛙腿放在真空中時仍會發(fā)生同樣的效應(yīng)當(dāng)用一個鐵鉤把青蛙腿懸在庭院中的鐵架上，一旦暴風(fēng)雨經(jīng)過時，蛙腿又發(fā)生激烈顫動，起初他把這歸因于大氣中的電把蛙腿放在金屬板上，並用鐵絲戳入小腿，另一端與金屬板接觸，結(jié)果蛙腿同樣產(chǎn)生了痙攣。把蛙腿放在玻璃板上，用玻璃棒代替鐵絲，則看不出有什么效應(yīng)。若再將兩種不同的金屬，例如銅和鐵或銅和銀接在一起，而把兩端分別與死蛙的肌肉接觸，肌肉就會劇烈而持久地屈伸抽動。猜測可能是蛙的神經(jīng)中有一種看不見的生命流體，它會以金屬導(dǎo)線為通路，順著導(dǎo)線在尸體脊椎骨和腿神經(jīng)之間流動，他稱這種生命流體叫“動物電”或“生物電”，是這種電刺激了蛙的肌肉，發(fā)生痙攣現(xiàn)象。Volta對蛙腿實驗的發(fā)現(xiàn)：把注意點主要集中在那一對金屬上。他把一根由兩種不同的金屬接起來的彎桿，一端與眼睛接觸，另一端放在嘴里，那么在接觸的瞬間就有光亮的感覺，Volta猜想，在所有這些實驗中本質(zhì)的東西是不同金屬的接觸而產(chǎn)生電流實驗證明，只要在兩種金屬片中間隔以鹽水或堿水浸過的吸墨紙、麻布，並用金屬線把它連接起來，不論有無青蛙肌肉，都會有電流通過，蛙腿神經(jīng)只不過是一種非常靈敏的驗電器而已Volta又對各種金屬進行了實驗，從而發(fā)現(xiàn)了如下起電順序：

鋅－鉛－錫－鐵－銅－銀－金－石墨當(dāng)以上任何兩種金屬相接觸，在順序中前面的一種帶正電，后面的一種帶負(fù)電。他還發(fā)現(xiàn)這種隔以鹽水的“金屬對”產(chǎn)生的電流很微弱，但是非常穩(wěn)定?；瘜W(xué)電池基本原理利用物質(zhì)的變換，即某一物質(zhì)消失就另外生成一種物質(zhì)的觀念，將其化學(xué)變換所產(chǎn)生的電能加以利用西元1799年，伏打發(fā)表伏打電池。一種利用兩種不同的金屬間，夾著鹽水濡溼過的紙張、布片的多重構(gòu)造。相當(dāng)於數(shù)個電池串聯(lián)，故又稱為伏打電堆。其他電池電池蓄電池——鉛酸蓄電池高容量紙板電池高功率紙板電池一次電池鋅錳干電池各種扣式電池鋰原電池糊式電池紙板電池堿性電池小型二次電池鎘鎳電池氫鎳電池鋰離子電池可充電堿錳電池開口式鉛酸蓄電池密封式鉛酸蓄電池燃料電池金屬—空氣電池太陽能電池電池分類一次電池一次放電后，內(nèi)部物質(zhì)起化學(xué)變化而終止使用，不能重復(fù)充電再使用，如錳干電池、堿錳干電池等。二次電池化學(xué)反應(yīng)為可逆變化，當(dāng)放電后內(nèi)部物質(zhì)起變化后可再度充電，可由外部加入反方向電流使化學(xué)變化的物質(zhì)恢復(fù)原狀，重新使用。它是可以多次重復(fù)進行充電、發(fā)電使用的電池，如汽機車常用的鉛蓄電池(鉛酸電池)、堿蓄電池等。燃料電池(fuelcell)將化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)(燃料)連續(xù)供給，即可繼續(xù)獲得電能。燃料有使用氣體(如：氫氧燃料電池)、液體(如甲醇燃料電池等)、固體(如鋅燃料電池等)。1911年我國第一家電池廠“交通部電池廠”在上海誕生。1921年我國第一家專業(yè)鉛蓄電池廠“上海蓄電池廠”建于上海。1941年延安軍委三局所屬電信材料廠開始生產(chǎn)鋅錳干電池和修理鉛蓄電池。1957年組建電機部電材局化學(xué)電源研究室。1958年成為我國第一個專業(yè)研究?

一機部化學(xué)電源研究所（現(xiàn)電子部天津電源研究所）。1960年我國第一家堿性蓄電化學(xué)電源研究所（現(xiàn)電子部天津電源研究所）。1960年我國第一家堿性蓄電池廠“風(fēng)云器材廠”在河南省新鄉(xiāng)正式驗收投產(chǎn)。

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國電池生產(chǎn)廠點近千家，其中蓄電池點近700個，鋅錳干電池廠也有200個以上，但鋅錳電池年產(chǎn)量超過1億只，鉛蓄電池超過20萬KVH，圓柱型堿性蓄電池超過500萬只的廠很少，僅有50個左右，職工約15萬人。看來我國的電池發(fā)展還待提高，這是我們的重任。

二、一次電池我國是干電池的生產(chǎn)和消費大國，一年的產(chǎn)量達150億只，居世界第一位，消費量為70億只，平均每個中國人一年要消費5只干電池。

5號電池在不同用電器上使用時間：

雙鹿電池南孚電池“便宜電池”BP機（常規(guī)）約為15天約為12天約為4－5天隨身聽（持續(xù)）約為5小時約為4小時約為2－3小時掌上游戲機（持續(xù)）約為10小時約為8小時約為3－4小時紙帶正集粉碳棒紙圈封口膠組合膠漿層紙入筒紙帶入筒注蕊插碳棒上紙圈注封口膠上組合膠卷邊封口貯存檢驗套商標(biāo)加底熱縮組合熱縮裝盒裝箱入庫紙板電池制作過程鋼殼成環(huán)正集環(huán)入筒涂封膠口插隔膜管加電液儲存在線測試卷邊扎線插集流體注鋅膏吸電液測試貼標(biāo)成品電池堿性鋅錳電池制作過程三、紐扣電池氧化汞、氧化銀等高能量密度電池照相機、助聽器、手表用鋰碘電池(lithium-iodinecells)shelflives高達10~20年(固態(tài)鋰電池)使用于微處理器記憶體的微小(A)備用電源。壽命高達10年以上1999年，國家發(fā)布《電動自行車通用技術(shù)條件》，對電動自行車做了如下定義：以蓄電池為輔助能源，具有兩個車輪，能實現(xiàn)人力騎行、電動或電助動功能的特種自行車。并明確規(guī)定：電動自行車最高時速應(yīng)不大于20公里；整車重量應(yīng)不大于40公斤。最新的國家標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺。汽車用免維護(maintenance-free)電池四、鉛酸電池或鉛蓄電池

lead-acidbateries第二章：能源材料新型二次電池概述

在電池中，有一類的沖放電是可逆的，放電時通過化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生電能，通以反向電流（充電）時則可使體系回復(fù)到原來狀態(tài)，即將電能以化學(xué)能形式出現(xiàn)儲存起來。這種電池稱為二次電池。金屬氫化物鎳電池（Ni/MH電池）和鋰離子電池（LIB電池）是90年代問世并取得迅猛發(fā)展的新型二次電池體系。由于不含有毒物質(zhì)，又被稱為綠色電池。

五、二次電池

目前，世界各國都投入極大的人力和物力來發(fā)展新型二次電池技術(shù)，并形成以下研究熱點：儲氫材料及金屬氫化物鎳電池；鋰離子嵌入材料及液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池；聚合物電解質(zhì)鋰蓄電池或鋰離子電池。第二章：能源材料推動這些熱點技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的推動力有：信息技術(shù)的發(fā)展，特別是移動通信及筆記本電腦等的迅速發(fā)展；環(huán)境保護呼聲愈來愈高；全世界天然能源正不斷消耗并終將枯竭；航天領(lǐng)域和現(xiàn)代化武器制備對高性能二次電池的需求非常迫切。第二章：能源材料我國發(fā)展新型二次電池產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實意義至少體現(xiàn)在以下方面：改變我國電池工業(yè)的現(xiàn)有產(chǎn)品格局，使具有高科技特征和高性能水平的新型綠色環(huán)保型二次電池逐步在電池市場中占主導(dǎo)地位。加速我國電池工業(yè)的無汞化和無鎘化進程。逐步滿足我國正在迅猛崛起的電子信息產(chǎn)業(yè)對新型環(huán)保電池的迫切要求。隨著新型二次電池的發(fā)展，對所需電池材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重大推動作用。緒論：材料與材料科學(xué)六、Ni/MH電池

Ni-MH電池的正極都是鎳電極（氫氧化鎳），負(fù)極是儲氫合金，電解液是氫氧化鉀的水溶液。儲氫合金是一種能大量吸收并釋放氫的功能材料一般適用于Ni-MH電池的儲氫材料有兩大系列：一類是以LaNi5稀土系儲氫合金；另一類是以TiNi2為主體的儲氫合金。20世紀(jì)60年代末，上次發(fā)現(xiàn)LaNi5和Mg2Ni等合金具有可逆吸放氫的性能。1973年開始研究LaNi5作為二次電池負(fù)極材料的研究，1984年取得重大突破。1987年美國建成試生產(chǎn)線，日本1989年試生產(chǎn)，我國則于1992年在廣東中山建立了國家中試生產(chǎn)基地。Ni/MH電池與Ni/Cd電池相比的優(yōu)點：能量密度高，容量是其1.5～2倍無鎘污染，是一種綠色電池可大電流快速充放電電池工作電壓也為1.2V，與Ni/Cd電池有互換性。在小型便攜電子器件、電動工具、電動車輛和混合動力車上逐步得到應(yīng)用。Ni/MH二次電池及正負(fù)極材料的發(fā)展現(xiàn)狀正極：泡沫鎳、纖維鎳和高密度球形Ni(OH)2負(fù)極：主要有AB5和AB2型合金兩種，在AB5型方面，采用富Ce或富La混合稀土（Mm或Ml）取代LaNi5中的La，并對合金B(yǎng)側(cè)進行多元合金化，研究開發(fā)出性價比良好的AB5型混合稀土系多元合金。為了在手機和筆記本電腦與與鋰離子電池競爭市場，近幾年來，Ni/MH電池的技術(shù)不斷得到改進，產(chǎn)品性能不斷提高。發(fā)展高功率和大容量Ni/MH電池技術(shù)一直是國際上的研究熱點，用于電動工具、混合動力車等。我國是稀土元素資源最豐富的國家，因此應(yīng)有效利用這一資源，發(fā)展我國的新型金屬氫化物鎳電池和相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

1、高密度球形Ni(OH)2正極材料每克Ni(OH)2在沖放電過程中Ni2+和Ni3+相互轉(zhuǎn)化所產(chǎn)生的理論放電容量約為289mA，但實際放電量與理論值有一定差異。近年來，Ni(OH)2正極材料的密度有顯著提高。高密度球形Ni(OH)2因能提高電極單位體積的填充量（20）和放電容量，且有良好的充填流動性。一般認(rèn)為松裝密度大于1.5g/mL，振實密度大于2.0g/mL

的球形Ni(OH)2為高密度Ni(OH)2。制備

主要有三種方法：化學(xué)沉淀晶體生長法、鎳粉高壓催化氧化法及金屬鎳電解沉淀法。其中化學(xué)沉淀晶體生長法所得材料綜合性能相對較好，已得到廣泛應(yīng)用。化學(xué)沉淀晶體生長法是鎳鹽和堿反應(yīng)生成微晶晶核，晶核在特定的工藝條件下生長成球形Ni(OH)2顆粒。目前國際上普遍以硫酸鎳、氫氧化鈉、氨水核少量添加劑為原料生產(chǎn)。

粒徑及粒徑分布的影響：粒徑及粒徑分布的影響：一般表面光滑、球形度好的產(chǎn)品振實密度高，流動性好，但活性差。球形度低、表明粗糙、孔隙發(fā)達的產(chǎn)品振實密度相對較低，流動性差，但活性較高。微晶晶粒尺寸及缺陷的影響：制備過程中，不同的反應(yīng)工藝、反應(yīng)物后處理方法及添加劑種類和添加量都會對微晶晶粒大小、排列狀態(tài)產(chǎn)生影響。實驗表明，結(jié)晶度差、層錯率高、微晶晶粒小、微晶排列無序的Ni(OH)2

，活化速度快，放電容量高，循環(huán)壽命長，其他電性能也較好。正極材料的研究動向：

新型添加劑的研究目前日本和德國正在開發(fā)錳、鈦和鋁等新型添加劑，可增加產(chǎn)品晶體內(nèi)部的生長缺陷和變形缺陷、提高放電容量和改善其它電化學(xué)性能。

Ni(OH)2表面覆Co或Co(OH)2的研究改善Ni(OH)2與其它電極材料即與基體之間的導(dǎo)電性，增大電極的放電深度，最終提高活性物質(zhì)的利用率和放電容量。

用于Ni/MH電池負(fù)極材料的合金應(yīng)滿足下述條件：電化學(xué)儲氫容量高，在較寬的溫度范圍不發(fā)生太大的變化；具有較強的抗陽極氧化能力；在堿性電解質(zhì)溶液中合金組分的化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定；反復(fù)充放電過程中合金不易粉化，制成的電極能保持穩(wěn)定；合金應(yīng)有良好的電和熱的傳導(dǎo)性原材料成本低廉。2、儲氫合金負(fù)極材料

主要是易生成穩(wěn)定氫化物的元素A（如La、Zr、Mg、V、Ti等）與其它元素B（如Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al等）組成的金屬間化合物。目前研究的儲氫負(fù)極材料主要有AB5型稀土鎳系儲氫合金、AB2型Laves相合金、AB型Ti-Ni系合金、A2B型鎂基合金以及V基固溶體型合金等幾種合金。七、

鋰離子二次電池

鋰是金屬中最輕的元素，且標(biāo)準(zhǔn)電極電位為－3.045v,是金屬元素中電位最負(fù)的一個元素。自70年代以來，以金屬鋰為負(fù)極的各種高比能量鋰原電池分別問世，并得以廣泛應(yīng)用。1990年日本索尼公司宣稱，采用可以使鋰離子嵌入和脫嵌的碳材料代替金屬鋰和采用可以脫嵌和可逆嵌入鋰離子的高電位氧化鈷鋰正負(fù)極材料和與正負(fù)極能相容的LiPF6–EC+DEC電解質(zhì)后，終于研制出新一代實用化的新型鋰離子蓄電池。鋰離子電池原理和特征

鋰離子電池內(nèi)部由三層結(jié)構(gòu)卷繞在鋼殼內(nèi)，由正極（LiCoO2）、負(fù)極（C）與隔膜（聚丙烯及聚乙烯復(fù)合而成）組成。

電池內(nèi)部采用多種措施以確保安全：當(dāng)內(nèi)部氣體超出額定范圍，其安全閥將自動釋放氣體，以防止電池爆炸。

電化學(xué)原理

鋰離子電池內(nèi)部沒有任何金屬鋰，鋰離子僅僅在正極與負(fù)極之間移動，不會因為鋰離子的脫出而使正極與負(fù)極材料改變，反應(yīng)機理與可充電金屬鋰電池有本質(zhì)的不同，這樣鋰離子電池有更好的安全特性。鋰離子電池的優(yōu)越性能

相對于傳統(tǒng)的鎘鎳電池（Ni/Cd）和氫鎳電池（Ni/MH）,鋰離子電池的電壓大約是它們的3倍;重量比能量密度提高了約3倍;對于同樣的功率消耗，鋰離子電池的使用期限約為鎳鎘電池的2.25~2.57倍.現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)是電子信息產(chǎn)品設(shè)計人員的普通配置.

工作電壓高比能量大

循環(huán)壽命長自放電率低

無記憶效應(yīng)無污染

手機和移動通訊設(shè)備對電源要求小巧、輕薄、便攜和移動高能量密度，高電壓輸出長循環(huán)壽命，反復(fù)多次使用安全性，可靠性鋰離子電池材料

鋰離子電池材料有數(shù)十種，如電解質(zhì)溶液、電解質(zhì)鹽、電解質(zhì)添加劑、聚合物隔膜、正負(fù)極活性物質(zhì)、正負(fù)極導(dǎo)電添加劑、正負(fù)極粘結(jié)劑、正負(fù)極集流片、正負(fù)極極耳、正溫度系數(shù)開關(guān)、絕緣墊片、密封環(huán)、防爆片、電池殼等。

1、鋰離子電池負(fù)極材料

二次鋰電池負(fù)極材料經(jīng)歷了由金屬鋰到鋰合金、碳材料、氧化物再回到納米合金的演變過程，見下表：

負(fù)極金屬鋰鋰合金碳材料氧化物納米合金容量（mAh/g)34007903727002000年19651971198019951998幾個與負(fù)極材料有關(guān)的概念電化學(xué)容量：單位質(zhì)量的活性物質(zhì)充電或放電到最大程度時的電量，一般用mAh/g表示。不可逆容量損失：在充放電過程中，電極的充放電效率低于100％，及放電的電化學(xué)容量低于充電，損失的部分被稱為不可逆容量損失。電極電位：理想的負(fù)極材料的電極電位應(yīng)與金屬鋰接近，隨鋰的嵌入量不同變化不大。石墨的電極電位從0.4V到0.0V之間變化，是比較合適的負(fù)極材料。充放電倍率：反應(yīng)電池充放電的快慢。循環(huán)性：電極材料在反復(fù)充放電過程中保持電化學(xué)容量的能力。電池循環(huán)性與電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性有關(guān)。金屬鋰負(fù)極材料金屬鋰是比容量最高的負(fù)極材料。由于鋰異?；顫姡谑褂弥谐０l(fā)生短路等事故，甚至爆炸起火；解決上述問題的研究主要集中在三方面：尋找替代鋰的材料；采用聚合物電解質(zhì)來避免鋰與有機溶劑反應(yīng)；改進有機電解液的配方。高效的金屬鋰作為負(fù)極的二次鋰電池有望在21世紀(jì)初開發(fā)成功。合金類負(fù)極材料：為克服鋰負(fù)極的安全性和循環(huán)性差等缺點，研究了各種鋰合金作為新的負(fù)極材料，如LiAiFe、LiPb、LiAl、LiSn等。

相對于金屬鋰，鋰合金負(fù)極避免了枝晶的生長，提高了安全性，但循環(huán)性仍沒有解決。

為解決維度不穩(wěn)定的缺點，采用了多種復(fù)合體系。研究發(fā)現(xiàn)，用電沉積的方法制備納米級的Sn及SnSb、SnAg金屬間化合物，其循環(huán)性得到明顯改善。納米合金材料在充放電過程中絕對體積變化較小，電極結(jié)構(gòu)有較高的穩(wěn)定性。

碳負(fù)極材料：用碳取代金屬鋰作負(fù)極，電池的安全性和壽命大大提高。性能優(yōu)良的碳材料有充放電可逆性好、容量大和放電平臺低等特征；近年來研究的碳材料包括石墨、碳纖維、石油焦、無序碳和有機裂解碳；不同碳材料在結(jié)晶度、粒度、孔隙度、微觀形態(tài)、比表面積、表面官能團、雜質(zhì)等多方面存在差異，對其結(jié)構(gòu)特征、化學(xué)性質(zhì)與電化學(xué)行為的關(guān)系進行了廣泛研究。氧化物負(fù)極材料：可充放鋰電池負(fù)極材料首先考慮的是一些含鋰氧化物，如LiWO2、Li6Fe2O3、LiNb2O5等，當(dāng)碳負(fù)極材料逐漸發(fā)展成主流方向后，仍有研究小組未放棄對氧化物負(fù)極的研究。

Fuji公司在1994年申請了通式為M1Mp2Mq4的負(fù)極材料。其中，M1、M2為Si、Ge、Sn、Pb、P、B、Al、As和Sb，M4為O、S、Se、Te。性能較好的是SnSi0.4Al0.2P0.6O3.6，該工作1997年發(fā)表在Science上。中國科學(xué)院物理所對這類氧化物負(fù)極材料做了XRD、拉曼和高分辨電鏡研究，證實為“兩步反應(yīng)”機理。

對鋰離子電池負(fù)極材料的要求：在鋰嵌入的過程中電極電位變化較小，并接近金屬鋰；有較高的比容量；有較高的充放電效率；在電極材料的內(nèi)部和表面，鋰離子具有較高的擴散速率；具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；價格低廉，容易制備；2.鋰離子電池正極材料

大多數(shù)可作為鋰離子電池的活性正極材料是含鋰的過渡金屬化合物，而且以氧化物為主。目前已用于鋰離子電池規(guī)模生產(chǎn)的正極材料為LiCoO2，廉價的LiNiO2和LiMn2O4正在廣泛應(yīng)用并已在電池中試用。材料名稱理論比容量實際比容量密度價格比特點LiCoO2275130~1405.003性能穩(wěn)定，體積比能量高，放電平臺平穩(wěn)LiNiO2274170~1804.782高比容量，熱穩(wěn)定性較差，價格較低LiMn2O4148100~1204.281低成本，比容量低，高溫循環(huán)和存放性能較差1.工作電壓高2.能量密度高3.自放電速率低4.循環(huán)壽命長5.無記憶效應(yīng)6.環(huán)保1.快充放電性能差、大電流放電特性不理想2.價格偏高3.過充放電保護問題8.氫—理想能源普遍存在?宇宙質(zhì)量9000倍化石燃料燃燒性能好燃燒熱值最高(1.21~1.43)×105kJ/kgH2汽油的3倍焦碳的4.5倍無毒、無污染—清潔能源導(dǎo)熱性最好的氣體——熱泵存在形式多樣氫能系統(tǒng)建立條件規(guī)模制氫技術(shù)貯氫技術(shù)氫內(nèi)燃機燃料電池技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)亟待突破制氫原料能源貯氫技術(shù)類型典型技術(shù)體積密度重量密度備注物理方法液態(tài)氫71/37g/l~5wt%20K,能耗大高壓氫39/24g/l~3.3wt%RT,70MPa大比表吸附劑~1wt%80K納米碳管<2wt%可逆存放量化學(xué)方法金屬氫化物>100g/l<2wt%可實用速度吸\放氫量有機液體~50g/l~7wt%苯理論量其他含氫物質(zhì)63/22

g/l>4wt%30%NaBH4溶液燃料電池燃料電池所使用的「氫」燃料可以來自于任何的碳氫化合物，例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、水的電解、沼氣…等等我國的研究我國首輛燃料電池混合動力轎車“超越一號”，03.8月7日在同濟大學(xué)校園奔馳，接受國家科技部的驗收。“超越一號”的最高時速每小時１１０公里，可連續(xù)行駛２１０公里。在燃料電池汽車領(lǐng)或，“超越一號”大大縮短了我國與世界先進水平的差距。楚天一號燃料電池電動汽車2005-02-04由東風(fēng)汽車公司和武漢理工大學(xué)合作聯(lián)合研發(fā)的東風(fēng)燃料電池電動汽車“楚天一號”通過專家組驗收。這是繼上海研制的“超越號”之后，我國研發(fā)成功的第二臺燃料電池轎車型樣車。最高時速為103公里。美國AB1公司預(yù)測，2011年，全球燃料電動汽車的產(chǎn)量將達240萬輛，約占全球汽車總產(chǎn)量3.4%。2010年將是燃料電池電動汽車的決戰(zhàn)年，而真正成氣候，可能是在2020年，這種預(yù)測，國內(nèi)外汽車界人士多是認(rèn)同的。日本東芝公司03.3.5日宣布成功地開發(fā)出了支持筆記本電腦的小型燃料電池。東芝公司稱，這在世界上首次將燃料電池直接與電腦連接。新型燃料電池采用甲醇作為燃料，與采用鋰電池的東芝公司自己生產(chǎn)的筆記本電腦相比，50CC的甲醇可以連續(xù)使用5小時，超過鋰電池兩倍以上。燃料電池的另一個好處時只需填充燃料，而不必像鋰電池那樣再次充電筆記本電腦用小型燃料電池九、太陽能

太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。太陽能作為可再生能源的一種，則是指太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用。通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能利用的屬于太陽能熱利用技術(shù)，再利用熱能進行發(fā)電的稱為太陽能熱發(fā)電，也屬于這一技術(shù)領(lǐng)域；通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。太陽能的利用潔凈能源：與石油、煤炭等礦物燃料不同，不會導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，也不會造成環(huán)境污染

太陽能利用的重要途徑之一是研制太陽能電池！

資源豐富：40分鐘照射地球輻射的能量＝全球人類一年的能量需求

使用方便：同水能、風(fēng)能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。太陽能發(fā)電(光伏發(fā)電,Photovoltaic,PV)的特點1.太陽能電池通常為一種固體半導(dǎo)體元件，將光能直接轉(zhuǎn)換為(直流)電能，但本身不儲存能量。2.太陽能電池使用方便、無廢棄物、無污染、無噪音、可阻隔輻射熱、或可設(shè)計為半透光。3.太陽能電池模板壽命長久，可達二十年以上。4.太陽能電池外型尺寸可隨意變化，應(yīng)用廣泛(小至消

費性產(chǎn)品--如計算機，大至發(fā)電廠皆實用)。5.發(fā)電量大小隨日光強度而變，可以輔助尖峰電力之不足(并聯(lián)型)。6.太陽能電池未來與建築物結(jié)合，將可普及化。太陽能發(fā)電系統(tǒng)之效益總體效益：經(jīng)濟效益（偏遠島嶼、緊急發(fā)電成本投資回收）環(huán)保效益（降低石化燃料的CO2、NOx、SOx污染）節(jié)能效益（以自然能源替代石化燃料、建立自主能源）社會效益（疏解尖峰、緊急救災(zāi)用電之社會效益）產(chǎn)業(yè)效益（創(chuàng)造高科技產(chǎn)業(yè)及就業(yè)機會）太陽能發(fā)電之重要歷史1956年第一個太陽能電池制作成功。1958年開始太空應(yīng)用(GaAs)。1970年開始太陽能發(fā)電系統(tǒng)地面應(yīng)用(Si)

(能源危機)。1980年消費性薄膜太陽能電池應(yīng)用(a-Si,CdS/CdTe)。1990年與公用電力并聯(lián)之太陽光發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)成熟(Grid-ConnectedPVSystem,Si)

(電力電子技術(shù))。1992年起歐、美、日各國推動太陽能發(fā)電系統(tǒng)之補助獎勵政策。2000年建材一體型太陽能電池應(yīng)用(BIPV)。太陽能電池按照所用材料的不同：硅太陽能電池(單晶硅、多晶硅、非晶硅）

（光電轉(zhuǎn)化效率高，成本高，制備工藝復(fù)雜?。┮詿o機鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池（鎘：劇毒。銦、硒：稀有元素）功能高分子材料制備的大陽能電池（處于研發(fā)初期、轉(zhuǎn)化效率低、使用壽命短）染料敏化納米晶體太陽能電池（正在研發(fā)）

1.清洗蝕刻2.磷擴散P-typewafer單晶硅太陽能電池制造步驟例

3.鍍抗反射層4.網(wǎng)印5.燒結(jié)太陽能發(fā)電綜合利用系統(tǒng)光伏電站申奧用太陽能路燈彩圖10.1電動汽車的概述

電動汽車是與燃油汽車相對應(yīng)的，1881年就出現(xiàn)了電動汽車。在20世紀(jì)20年代達到了鼎盛時期，然而在燃油汽車出現(xiàn)后電動汽車無論在整車質(zhì)量、動力性能、行駛里程、機動性和靈活性方面愈來愈落后于燃油汽車。在全球溫室效應(yīng)與能源問題逐漸受到各國政府的重視下，主要國家之污染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對低污染車輛之需求勢必增加。隨著各種高性能蓄電池和高效率電機不斷地出項，使人們把目光又轉(zhuǎn)向了零污染或超低污染排放的電動汽車。從20世紀(jì)70年代起，新一代電動汽車脫穎而出，出現(xiàn)了各種高性能的電動汽車。純電動車(All-ElectricVehicle)復(fù)合電動車(HEV,HybridElectricVehicle)燃料電池車(FuelCellElectricVehicle)

電動汽車是至少以一種動力源為車載電源，全部或部分由電機驅(qū)動，符合道路交通安全法規(guī)的汽車。它因車載動力系統(tǒng)不同可分為三類：以車載燃料電池為動力的燃料電池電動汽車（FuelCellElectricVehicle--FCEV）；以車載蓄電池為動力的蓄電池電動汽車（ElectricVehicle--EV

），亦稱之為純電動汽車；以車載多能源為動力的混合動力電動汽車（HybridElectricVehicle--HEV），其動力來自2個或2個以上能源，如蓄電池，超級電容，飛輪電池，太陽能，內(nèi)燃機，燃氣輪機，斯特林發(fā)動機等。電動汽車的特點

隨著能源危機和環(huán)境污染的全球兩大突出問題日益嚴(yán)重，特別是隨電動汽車自身難點不斷解決，使電動汽車具有更多突出特點。(1)對環(huán)境無污染(2)節(jié)能及能源多樣化和綜合利用(3)結(jié)構(gòu)簡單和維護使用方便10.2蓄電池電動汽車（EV）

EV是一種最好的零污染或超低污染的車輛，它沒有噪聲和振動，操作性能好等，遠遠地優(yōu)先于燃油汽車，是當(dāng)前開發(fā)和研制取代燃油汽車的首選車型。EV動力源采用蓄電池--電動機系統(tǒng)。

3.1.1EV的基本組成部分：(1)車載電源(2)電池的管理系統(tǒng)(3)驅(qū)動電動機和驅(qū)動系統(tǒng)(4)控制技術(shù)(5)車身及底盤(6)安全保護系統(tǒng)3.1.2EV的控制策略和控制系統(tǒng)蓄電池電動汽車的發(fā)展

EV發(fā)展的瓶頸在于電池。近年來由于電池技術(shù)的制約使得EV發(fā)展速度有所緩慢。在車載電源得到解決后，電動汽車必會迅速地發(fā)展。目前EV趨于小型化、個性化和家庭化發(fā)展，主要為家庭輔助用車或休閑用車。3.1.4幾種典型EV世界各國有各種微型和小型EV在使用。10.3燃料電池電動汽車（FCEV）

采用燃料電池作電源的電動汽車稱為燃料電池電動汽車即FuelCellElectricVehicle(FCEV)。其動力源是用燃料電池發(fā)動機-電動機系統(tǒng)。燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)是FCEV的核心部分，不同燃料作為動力源，發(fā)電機系統(tǒng)組成是有差別的。目前，多以壓縮氫氣或液化氫氣及作為基本燃料。

3.2.1介紹幾種典型的燃料電池電動車

下面分別介紹以氫為燃料和以甲醇為燃料的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)。并介紹通用的一款用氫氣作為燃料的燃料電池電動汽車。FCEV的發(fā)展現(xiàn)狀

燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)，其具有能量轉(zhuǎn)化效率高、不污染環(huán)境、使用壽命長等不可比擬的優(yōu)勢。但是由于目前燃料電池研究還沒有取得重大突破，燃料電池電動汽車的發(fā)展也受到了限制。10.4混合電動汽車（HEV）

從世界范圍內(nèi)電動汽車的發(fā)展過程看，電動汽車的研究是從單獨依靠蓄電池供電的純電動汽車開始的。但由于純電動汽車是從單獨依靠蓄電池供電的，而目前動力電池的性能和價格還沒有取得重大突破，因此，純電動汽車的發(fā)展沒有達到預(yù)期的目的。目前燃料電池研究還沒有取得重大突破，燃料電池電動汽車的發(fā)展也受到了限制。在此情況下，混合動力汽車成為電動汽車開發(fā)過程中最有可能市場化的一種新車型，它將現(xiàn)有內(nèi)燃機與一定容量的儲能器件通過先進控制系統(tǒng)相組合，可以大幅度降低油耗，減少污染物排放。國外普遍認(rèn)為它是投資少、選擇余地大、易于滿足未來排放標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能目標(biāo)、市場接受度高的主流清潔車型，從而引起各大汽車公司的關(guān)注。HEV的工作過程

HEV采用發(fā)動機-發(fā)電機和電動驅(qū)動系統(tǒng)。發(fā)動機的動力保證HEV正常行駛時所需要的基本動力。然后采用控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍、降低發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速、保持發(fā)動機的穩(wěn)定均衡地運轉(zhuǎn)和“開—關(guān)”的控制方式，使發(fā)動機避開啟動、怠速和轉(zhuǎn)速突然變化時，燃料燃燒不完全而引起的燃料經(jīng)濟性降低和增加有害氣體的排放。HEV以電動機驅(qū)動作為輔助動力。一般在HEV發(fā)動機啟動、車輛啟動、加速和爬坡時起作用。還起發(fā)電機的作用，使發(fā)動機的動能轉(zhuǎn)換為電能，儲存到電池組中去。HEV的主要技術(shù)組成(1)發(fā)動機采用四沖程內(nèi)燃機（包括汽油機和柴油機）、二沖程內(nèi)燃機（包括汽油機和柴油機）、轉(zhuǎn)子發(fā)動機、燃氣輪機和斯特林發(fā)動機等。(2)電動機采用直流電動機、交流感應(yīng)電動機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機等。(3)電池采用不同的蓄電池、燃料電池、儲能器和超級電容器等。2.按發(fā)動機和電動機的不同形式的組合可分為：(1)串聯(lián)式混合動力電動汽車（SHEV）(2)并聯(lián)式混合動力電動汽車（PHEV）(a)發(fā)動機軸動力組合式(b)動力組合器組合式(c)驅(qū)動輪動力組合式(3)混聯(lián)式混合動力電動汽車（PSHEV）(a)動力組合器動力組合式(b)驅(qū)動輪動力組合式日本、美國開展了混合動力電動汽車的研究?；旌蟿恿﹄妱愚I車多采用并聯(lián)和混聯(lián)的結(jié)構(gòu)型式不同，混合動力電動公共汽車的結(jié)構(gòu)型式以串聯(lián)為主。

標(biāo)致雪鐵龍集團推出基于“柴油-電力”混合動力的兩款展示車——標(biāo)致307和雪鐵龍C4。這種混合動力車平均百公里能耗為3.4升柴油，二氧化碳的排放量為每公里90克。在高速行駛模式下為80g/km，與307及C4的柴油發(fā)動機車型相比，分別減少了28％和45％。柴油混合動力車的燃效為29.4km/L，比汽油混合動力車提高25％，每100km可節(jié)省1L左右的燃料?；旌蟿恿ο到y(tǒng)由最大輸出功率為66kW的1.6L柴油發(fā)動機、柴油顆粒過濾器（DPF）、起動器兼交流發(fā)電機、“Stop＆Start”系統(tǒng)、DC無刷馬達、逆變器及鎳氫充電電池構(gòu)成。該系統(tǒng)配套使用6速手自一體變速箱。

3柴油混合動力車

混合動力系統(tǒng)采用以發(fā)動機為主動力、利用馬達進行輔助的并聯(lián)驅(qū)動方式。當(dāng)車速降到60km/h以下時，Stop＆Start系統(tǒng)就會停止發(fā)動機工作。馬達可通過減速時回收能量來向電池蓄電，當(dāng)車速在50km/h以下時僅憑馬達行駛。在加速及電池沒電時，便會自動切換至發(fā)動機驅(qū)動。為了停止發(fā)動機工作后仍可憑借馬達行駛，在發(fā)動機與馬達之間采用了干式離合器。馬達在連續(xù)使用時的額定功率為16kW，可產(chǎn)生80N·m的扭矩。在超車等情況下進行暫時輔助時，最大輸出功率為23kW，最大扭矩為130N·m。馬達與逆變器連接，以210～380V的電壓驅(qū)動。在車輛后部通常用于配備備用輪的位置上配備了由240個電池單元構(gòu)成的鎳