新能源與材料科學(xué)新能源材料新能源及材料科學(xué)基礎(chǔ)與進(jìn)展新能源材料是指實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)中所要用到的關(guān)鍵材料。新能源技術(shù)材料能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能材料節(jié)能材料當(dāng)前的研究熱點(diǎn)：高能儲(chǔ)氫材料、聚合物電池材料、中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料，多晶薄膜太陽(yáng)能電池材料、新型儲(chǔ)能材料。新能源材料的應(yīng)用現(xiàn)狀包括以下幾個(gè)方面：（1）鋰離子電池及其關(guān)鍵材料（2）鎳氫電池及其關(guān)鍵材料（3）燃料電池材料（4）太陽(yáng)能電池材料（5）太陽(yáng)光-熱轉(zhuǎn)換及材料（6）發(fā)展核能的關(guān)鍵材料（7）其它新能源材料

鋰離子電池的定義

指以?xún)煞N不同的能夠可逆地插入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物分別作為電池正極和負(fù)極的二次電池體系鋰離子電池及其關(guān)鍵材料鋰離子電池的發(fā)展歷史1980年，M.Armand等人首先提出用嵌鋰化合物來(lái)代替二次鋰電池中的金屬鋰負(fù)極，并提出“搖椅式電池”（rockingchairbattery）的概念嵌鋰化合物代替二次鋰電池中的金屬鋰負(fù)極，電池的安全性大為改善，并且具有良好的循環(huán)壽命，同時(shí)電池的充放電效率也得到提高1990年日本Sony公司研制出以石油焦為負(fù)極、LiCoO2為正極的鋰離子二次電池鋰離子電池的應(yīng)用范圍小型電池：手機(jī)電池、筆記本電腦電池等大型電池：電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)等其它：人造衛(wèi)星、航空航天和儲(chǔ)能方面鋰離子電池的工作原理正極負(fù)極電池鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)1、比能量比較高。具有高儲(chǔ)存能量密度，目前已達(dá)到460-600Wh/kg，是鉛酸電池的約6-7倍；2、使用壽命長(zhǎng)，使用壽命可達(dá)到6年以上，磷酸亞鐵鋰為正極的電池有可以使用10,000次的記錄；3、額定電壓高（單體工作電壓為3.7V或3.2V），約等于3只鎳鎘或鎳氫的串聯(lián)電壓，便于組成電池電源組；4、具備高功率承受力，其中電動(dòng)汽車(chē)用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達(dá)到15-30C充放電的能力，便于高強(qiáng)度的啟動(dòng)加速；5、自放電率很低，這是該電池最突出的優(yōu)越性之一，目前一般可做到1%/月以下，不到鎳氫電池的1/20；6、重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/5-6；7、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)，可以在-20℃--60℃的環(huán)境下使用，經(jīng)過(guò)工藝上的處理，可以在-45℃環(huán)境下使用；8、綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報(bào)廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。

鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)1、比能量比較高。具有高儲(chǔ)存能量密度，目前已達(dá)到460-600Wh/kg，是鉛酸電池的約6-7倍；2、使用壽命長(zhǎng)，使用壽命可達(dá)到6年以上，磷酸亞鐵鋰為正極的電池有可以使用10,000次的記錄；3、額定電壓高（單體工作電壓為3.7V或3.2V），約等于3只鎳鎘或鎳氫的串聯(lián)電壓，便于組成電池電源組；4、具備高功率承受力，其中電動(dòng)汽車(chē)用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達(dá)到15-30C充放電的能力，便于高強(qiáng)度的啟動(dòng)加速；5、自放電率很低，這是該電池最突出的優(yōu)越性之一，目前一般可做到1%/月以下，不到鎳氫電池的1/20；6、重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/5-6；7、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)，可以在-20℃--60℃的環(huán)境下使用，經(jīng)過(guò)工藝上的處理，可以在-45℃環(huán)境下使用；8、綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報(bào)廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。

正極材料對(duì)鋰離子正負(fù)極材料的要求：具有層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu)，以利于鋰離子的嵌入和脫出，該晶體結(jié)構(gòu)牢固，在充放電電壓范圍內(nèi)的穩(wěn)定性好，使電極具有良好的充放可逆性，以保證鋰離子電池的循環(huán)壽命;充放電過(guò)程中，應(yīng)有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出，使電極具有較高的電化學(xué)容量;在鋰離子進(jìn)行嵌脫時(shí)，電極反應(yīng)的自由能變化應(yīng)較小，以使電池有較平穩(wěn)的充放電電壓，以利于鋰離子電池的廣泛應(yīng)用;鋰離子應(yīng)有較大的擴(kuò)散系數(shù)，以減少極化造成的能量損耗，保證電池有較好的快充放電性能;分子量小，提高重量能量密度；摩爾體積小，提高體積能量密度.LiCoO2正極材料二維層狀結(jié)構(gòu)鋰離子電導(dǎo)率高，擴(kuò)散系數(shù)10-9～10-7cm/s充電上限電壓4.3V，高于此電壓基本結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變制備方法：固相合成法（0≤x≤0.5）

LiNiO2正極材料與LiCoO2相比，LiNiO2具有的優(yōu)勢(shì)

制備困難：制備電化學(xué)性能良好且具有化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)的LiNiO2條件非?？量讨苽涞腖iNiO2一般表示為L(zhǎng)i2xNi2-2xO2，x=0.3～0.5改性主要有摻雜和包覆處理,較為成功的是Co的摻雜鋰錳氧化物Mn資源非常豐富、無(wú)毒、價(jià)廉;鋰錳氧化物是最有希望取代鋰鈷氧化物的正極活性物質(zhì)之一1.尖晶石型LixMn2O4立方結(jié)構(gòu)當(dāng)1<x≤2時(shí)，Mn離子主要以＋3價(jià)存在，將導(dǎo)致嚴(yán)重的Jahn-Teller效應(yīng)

在電解液中會(huì)逐漸溶解，發(fā)生Mn3+歧化反應(yīng)；電解液在高壓充電時(shí)不穩(wěn)定，即Mn4+具有高氧化性2.層狀LiMnO2扭曲的四方密堆結(jié)構(gòu)在3.5-4.5V范圍內(nèi)，LiMnO2脫鋰容量高，可達(dá)200mAh/g，但脫鋰后結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，慢慢向尖晶石型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。晶體結(jié)構(gòu)的反復(fù)變化導(dǎo)致體積的反復(fù)膨脹和收縮，循環(huán)性能不好。較高溫度下也會(huì)發(fā)生Mn的溶解而導(dǎo)致電化學(xué)性能劣化三種正極活性材料性能比較材料名稱(chēng)理論比容量(mAh/g)實(shí)際比容量(mAh/g)密度(g/cm3)價(jià)格比特點(diǎn)LiCoO2275130-1405.003性能穩(wěn)定，體積比能量高，放電平臺(tái)平穩(wěn)LiNiO2274170-1804.782高比容量，熱穩(wěn)定性較差，價(jià)格較低LiMn2O4148100-1204.281低成本，比容量較低，高溫循環(huán)和存放性能較差，安全性好嵌鋰磷酸鹽正極材料LiMPO4（M=Mn、Fe、Co、Ni）正極材料中，以L(fǎng)iFePO4的研究最為突出實(shí)際放電容量>160mAh/g,3C大電流下放電比容量>130mAh/g,其在原料來(lái)源、成本、環(huán)保和化學(xué)穩(wěn)定性方面也都令人滿(mǎn)意。影響材料的最主要因素是LiFePO4室溫下的低電導(dǎo)率

負(fù)極材料碳負(fù)極材料：石墨典型的石墨化負(fù)極材料有石墨化中間相微珠、天然石墨和石墨化碳纖維理論容量372mAh/g，電位基本與金屬鋰接近.不可逆容量低，首次充電效率高，且價(jià)格低廉。固體電解質(zhì)層(SEI)

對(duì)于所有的碳材料，在鋰嵌入石墨層間時(shí)，電解質(zhì)溶液中的有機(jī)溶劑和鋰鹽均可能從電極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，在電極表面形成對(duì)電子絕緣而對(duì)離子導(dǎo)電的固體電解質(zhì)層(SEI).

其主要組成為L(zhǎng)i2CO3、ROCO2Li.當(dāng)SEI層的厚度增加到能夠阻止溶劑從電極上得到電子時(shí)，還原反應(yīng)自行終止，相當(dāng)于在電極表面形成了一層鈍化膜主要缺點(diǎn)是墨片面容易發(fā)生剝離，循環(huán)性能不是很理想，需要進(jìn)行改性處理.氧化物負(fù)極材料無(wú)定形錫基復(fù)合氧化物：SnMxOy

SnSi0.4Al0.2P0.6O3.6零應(yīng)變材料LiTi5O12

相對(duì)于金屬鋰的電位為1.5V，因而與4V的正極材料配對(duì)形成2.5V的電池.可逆容量一般為150mAh/g.鋰的嵌入和脫嵌不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，循環(huán)壽命很好。電解液對(duì)鋰離子電池電解液的要求鋰離子電導(dǎo)率高。在一般穩(wěn)定范圍內(nèi)，電導(dǎo)率要達(dá)到3×10-3～2×10-2S/cm。電化學(xué)窗口大。即電化學(xué)性能在較寬的范圍內(nèi)不發(fā)生分解反應(yīng)。電解質(zhì)的可用液態(tài)范圍寬，在－40～70℃范圍內(nèi)均為液態(tài)。熱性能穩(wěn)定，在較寬的范圍內(nèi)不發(fā)生分解反應(yīng)?；瘜W(xué)穩(wěn)定性高，即與電池體系的電極材料、集流體、隔膜、粘接劑等基本上不發(fā)生反應(yīng)。最大可能促進(jìn)電極可逆反應(yīng)的進(jìn)行；沒(méi)有毒性，使用安全；容易制備，成本低。隔膜材料隔膜在電池中的作用是將正極與負(fù)極材料隔開(kāi)，容許離子通過(guò)而不能讓電子通過(guò)。鋰離子電池常用的隔膜材料有纖維紙或者無(wú)紡布以及合成樹(shù)脂的多孔薄膜。大多采用微孔聚烯烴隔膜，具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，而且具有高溫自閉性能，確保鋰離子電池在日常生活中使用的安全性。厚度10-40微米，孔徑50-250納米，孔隙率35%世界上僅有日本、美國(guó)能大規(guī)模生產(chǎn)鋰電池隔膜。有機(jī)溶劑要求:有機(jī)溶劑應(yīng)當(dāng)在相當(dāng)?shù)偷碾娢幌路€(wěn)定或不與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，因此必須是非質(zhì)子溶劑；極性高（也就是介電常數(shù)大），能溶解足夠的鋰鹽（鋰鹽容易解離）；同時(shí)黏度低（離子移動(dòng)速度快），從而使電導(dǎo)率高；溶點(diǎn)低、沸點(diǎn)高，蒸汽壓低，工作溫度范圍寬但是上述幾方面基本相互沖突,通常采用混合溶劑來(lái)彌補(bǔ)各組分的缺點(diǎn)一般采用直鏈酯和環(huán)酯(如EC+DMC，PC+DEC)混合溶劑電解質(zhì)無(wú)機(jī)鋰鹽

LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6有機(jī)鋰鹽三氟甲基磺酸鋰LiCF3SO3

二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰LiN(CF3SO2)2

三(三氟甲基磺酰)甲基鋰LiC(SO2CF3)聚合物鋰離子電池聚合物電池的提出用液體電解質(zhì)組裝的鋰離子電池在使用過(guò)程中逐漸暴露出易生長(zhǎng)枝晶、漏液、安全性差等問(wèn)題聚合物鋰離子電池（PLIB，PolymerLithiumIonBattery）的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)漏液、電池尺寸形狀容易設(shè)計(jì)，電池安全性大為提高。現(xiàn)有三種聚合物鋰離子電池：（1）固體聚合物電解質(zhì)電池（2）凝膠聚合物電解質(zhì)電池（3）聚合物正極電池聚合物電解質(zhì)的工作原理定義：含有聚合物材料且能像液體一樣導(dǎo)電的電解質(zhì)導(dǎo)電機(jī)理：（1）首先遷移離子如鋰離子等與聚合物鏈上的極性基團(tuán)如氧、氮等原子配位；（2）在電場(chǎng)作用下，隨著聚合物高彈區(qū)中分子鏈段的熱運(yùn)動(dòng)，遷移離子與極性基團(tuán)不斷發(fā)生配位和解配位的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)離子的遷移。聚合物電解質(zhì)的分類(lèi)聚合物電解質(zhì)可分為：固體聚合物電解質(zhì)SPE(SolidPolymerElectrolyte)和凝膠聚合物電解質(zhì)GPE(GelPolymerElectrolyte)目前已開(kāi)發(fā)的聚合物電解質(zhì)有：聚環(huán)氧乙烯(PEO)基、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基、聚偏氟乙烯(PVDF)基、聚丙烯腈(PAN)基和聚氯乙烯(PVC)基等，并在此基礎(chǔ)上形成各種共聚物電解質(zhì)新型聚合物鋰離子電池TiS2為負(fù)極的聚合物鋰離子電池Dion電池太陽(yáng)光-熱轉(zhuǎn)換及材料用于太陽(yáng)集熱器的選擇性吸收涂層（表面），用于建筑幕墻玻璃和交通工具的選擇性透、反射薄膜材料和電致變色薄膜材料與器件，用于集熱器的具有太陽(yáng)光譜高透射比的硼硅玻璃，聚碳酸酯制成的蜂窩結(jié)構(gòu)，以及貯能材料等，推動(dòng)了太陽(yáng)光—熱轉(zhuǎn)換技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展。

太陽(yáng)能的熱利用，是將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的器件叫“集熱器”。例如“太陽(yáng)灶”；“太陽(yáng)熱水器”；“太陽(yáng)能干燥器”等等。太陽(yáng)能熱利用是可再生能源技術(shù)領(lǐng)域商業(yè)化程度最高、推廣應(yīng)用最普遍的技術(shù)之一。1998年世界太陽(yáng)能熱水器的總保有量約5400萬(wàn)平方米。按照人均使用太陽(yáng)能熱水器面積，塞浦路斯和以色列居世界一、二位，分別為1平方米／人和O．7平方米／人。日本有2O％的家庭使用太陽(yáng)能熱水器，以色列有80％的家庭使用太陽(yáng)能熱水器。太陽(yáng)能的熱利用主要是以下方面：

1．太陽(yáng)能空調(diào)降溫太陽(yáng)能制冷及在空調(diào)降溫研究工作重點(diǎn)是尋找高效吸收和蒸發(fā)材料，優(yōu)化系統(tǒng)熱特性，建立數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)程序，研究新型制冷循環(huán)等。

2．太陽(yáng)能熱發(fā)電太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并通過(guò)熱力循環(huán)過(guò)程進(jìn)行發(fā)電，是太陽(yáng)能熱利用的重要方面。

3．太陽(yáng)房太陽(yáng)房是直接利用太陽(yáng)輻射能的重要方面。通過(guò)建筑設(shè)計(jì)把高效隔熱材料、透光材料、儲(chǔ)能材料等有機(jī)地集成在一起，使房屋盡可能多地吸收并保存太陽(yáng)能，達(dá)到房屋采暖目的。太陽(yáng)房可以節(jié)約75％～90％的能耗，并具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，成為各國(guó)太陽(yáng)能利用技術(shù)的重要方面。被動(dòng)式太陽(yáng)房平均每平方米建筑面積每年可節(jié)約2O～4O公斤標(biāo)準(zhǔn)煤，用于蔬菜和花卉種植的太陽(yáng)能溫室在中國(guó)北方地區(qū)較多采用。全國(guó)太陽(yáng)能溫室面積總計(jì)約700萬(wàn)畝，發(fā)揮著較好的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)在相關(guān)的透光隔熱材料、帶涂層的控光玻璃、節(jié)能窗等沒(méi)有商業(yè)化，使太陽(yáng)房的水平受到限制。

4．熱利用的其它方面

太陽(yáng)灶我國(guó)目前大約有15萬(wàn)臺(tái)太陽(yáng)灶在使用中。太陽(yáng)灶表面可以加涂一層光譜選擇性材料，如二氧化硅之類(lèi)的透明涂料，以改變陽(yáng)光的吸收與發(fā)射，最普通的反光鏡為鍍銀或鍍鋁玻璃鏡，也有鋁拋光鏡面和滌綸薄膜鍍鋁材料等。提高太