能源材料PPT.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 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 YSZ是氧化钇稳定的氧化锆 PEM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 市场价格昂贵 高温时寿命以及稳定性不够理想 燃料电池技术不够普及 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和温度传感器 另外 利用塞贝克效应还可以制作温差发电机 利用珀耳帖效应可以制作温差电制冷器 thermoelectriccoolingdevice 当然 采用金属材料制作的温差发电机和温差电制冷器的性能很差 难于实际应用 后来 到了20世纪50年代 随着半导体材料科学的发展 半导体温差制冷器的性能得到显著改善 并被广泛应用 因为有实用意义的温差电制冷 都是用半导体材料制作的 所以习惯上把温差电制冷器称为半导体制冷器 1 塞贝克效应 Seebeckeffect 是指把两种不同的金属a b连接成闭合回路 当其两个接点的温度不同时 在回路中就有电流流过 产生这温差电流的电动势就称为温差电动势 当两接点的温度差 T很小时 温差电动势 V正比于 T 比例常数就称为塞贝克系数 Seebeckcoefficient 或温差电动势率 thermoelectricpower ab 3 1热电三效应 2 珀耳帖效应 Peltiereffect 是在塞贝克效应发现后13年 法国钟表技师珀耳帖发现了第二个温差电效应 即 当电流流过由两种不同材料 导体或半导体 组成的热电偶时 其一接点将释放热量 而另一接点将吸收热量 后来人们称此为珀耳帖效应 3 汤姆孙效应 Thomsoneffect 是汤姆孙 又名开尔文 用热力学理论推导塞贝克效应与珀耳帖效应之间的联系时 发现的第三种温差电效应 被称为汤姆孙效应 具体表述为 当电流流过有温度差 T的均匀导体时 除了会产生不可逆的焦耳热以外 还有可逆的汤姆孙热 Q被放出或被吸收 这三种温差电效应之间是相互联系的 由热力学定律可以导出它们之间的关系 实际上 珀耳帖效应是塞贝克效应的逆效应 在上述热电转换效应被发现后 就被人们所利用 最早是用在测温领域 被称为 温差电偶 人们更习惯的称呼是 热电偶 ThermoelectricCouple 现已广泛用于测温技术和温度传感器 热电偶可以用金属材料进行热电转换 因为它所需要的电动势很小 在mV级 但要产生更高的电动势 就需要用半导体材料进行热电转换 现在已经可以利用两种 n型和p型 半导体组成的回路按照珀耳帖效应来制作温差电制冷器 ThermoelectricCoolingDevice 习惯上称为 半导体制冷器 和按照塞贝克效应制作温差发电机 ThermoelectricGenerator 为此 人们还提出了一个参数 被称为温差电材料的品质因数 或称为 优质系数 FigureofMerit 该参数一般用符号Z来表示 单位为K 1 温差发电器 thermoelectricgenerator 由n型和p型半导体组成温差电偶 其一端由金属板连接起来 另一端串联负载电偶r 由热源提供高温Th 另一端由散热器维持其较低温度Tc 与所有的发电机一样 当负载电阻R与发电机内阻r相等时 发电机能够获得最大的电功率 发电器的效率 定义为有用电功率P与消耗的热能Qa之比 3 2温差发电器的原理 目前 利用热电转换材料的温差发电机被用到地热能利用 海水温差能利用 工业余热利用等领域 在核领域 Pu238是元素钚的一个重要同位素 它放射性衰变时会恒定地放出热量 以它作为持续不断热源而所制作的温差发电机可作为陆用与空间用的小型核动力电源 该电源在生物 医学 气象学 航空航天领域均有应用 要求温差发电效率 max高 就要寻找优值系数高的高温材料 而材料的温差电参数往往依赖温度 有些材料只在某一温度范围内具有较高的优值系数 有时可考虑由多种材料连接组成电偶臂 使得不同温区都有较高优值系数的材料 不过 这种连接在技术上有一定困难 另一方法是晶体生长时掺杂浓度有梯度变化 使得电偶臂的不同温区的掺杂浓度都处于最佳值 3 3热电材料 许多温差电材料往往只在某一温度范围内有较高的优值系数 在300oC以下的低温范围 可采用Bi Te Se Sb Bi Te系 在的300oC 600oC中温区 PbTe SnTe ZnSb是较好材料 在600oC 1000oC的高温区 主要温差电材料有GeSi MnFe Re2Si等 近几年来 PbTe和CoSb以为基的方钴矿结构等新材料研究日益受到人们的重视 应该指出 关于热电材料的研究还处于初期阶段 通过进一步深入研究 期望能发现性能更优的温差电 发电与制冷 材料 4储能材料 储能 也称贮能 EnergyStorage 包括自然储能和人为储能这两大类 植物通过光合作用将太阳能转变为生物能储存 古生物经过久远的演化转换为化石燃料等都属于自然储能过程 但相对来说 人们更重视后一类储能方式 这是因为人为储能可以通过人类的自身努力 按照人们的意愿来可逆地来储存能量与释放能量 人为储能包括 机械储能 机械储能的应用范围很广 像弹簧储能 飞轮等储能方式 化学储能 像一次电池 二次电池和贮备电池等 电磁储能 像超导电磁线圈储能等 气体储能 像压缩空气储能等 液体储能 像用电谷底时 将水抽到高处等待用电高峰时辅助或增加水力发电 将气体燃料高压压缩为液体燃料等储能方式 材料储能等 这里所介绍的是材料储能 也叫做 储能材料 它们是能够通过自身的一些特性来储存能量的材料 最常用的两种储能材料是 储热材料和储存燃料的材料 传统的显式储热方法很多 像直接利用水 碎石等材料的温差实现储热等 虽然其使用起来简单 方便 但因储热效率低 所以不属于新型储热材料的范围 新型的储热材料是利用材料的相变 结晶 稀释等过程的热效应来实现储热 尤其是利用材料的相变潜热来储热应用范围广泛 这类材料被称为 相变材料或PCM材料 通常所说相变是指以下四种情况 晶体的晶格转换 例如六方晶格锆在871 转换为体心立晶格要吸收53kJ kg的热量 类似的材料还有CaCl2 6H2O Na2HPO4 126H2O Ca NO3 106H2O Na2SO4 10H2O Na2S2O3 6H2O 固 液间的相变 最常见的是冰 水转换 其他材料包括一些盐 像BeCl2 NaF NaCl LiH LiNO3 KCl B2O3 Al2O3 Al2Cl6 FeCl3 NaOH H3PO4 KNO3等与一些共熔混合盐 像KCl KNO3 NaCl NaNO3 CaCl2 LiNO3 BaCl2 KCl LiCl KF NaF KNO3 NaCl NaNO3 NaSO4 KBr KCl LiBr LiCl等 液 气间的相变 最常见的是水 水蒸汽转换 固气升华 升华热大约等于溶解热与蒸发热之和 除了冰以外 萘和碘等也有这种现象 目前已知的PCM材料有500多种 具体情况请读者参阅有关的专著或手册 但是请记住 并非所有的相变材料都可以用作相变储能材料 它需要满足以下几个要求 第一是热性能要求 要有合适的相变温度 相变热较大合适的热导率 一般宜大 第二是化学性能的要求 像变时不能有熔析现象以免相变材料成分有变化 另外 相变的可逆性要好 过冷度要小 性能稳定 无毒 无腐蚀 无污染 使用安全 不易燃 不易爆 不易氧化变质 结晶快和晶体生长快 第三是物理性能要求 蒸气压要低 体膨胀率要小 密度要大 第四是经济性能的要求 原料要易购 价格低 需要特别指出的是 通常PCM材料是由多组分构成 包括 主储热剂 相变点调整剂 防过冷剂 防相分离剂 相变促进剂等 PCM材料按相变形式来分 有固 固相变型 固 液相变型等 按相变温度来分 有高温型 中温型 低温型 按化学成分来分 有无机型 有机型 复合型 尤其是复合型已经成为PCM材料的一个研究热点 复合型PCM材料的制备方法主要有 胶囊化技术 利用毛细管作用将相变材料吸附到多孔基质中 与聚合物复合 用湿化学法制备无机 有机纳米复合PCM材料 储存燃料的材料也很多 例如可燃气体水合物 尤其是自然的天然气水合物 简称 NGH 俗称 可燃冰 的探测与开发 合成天然气水合物的研制与开发是未来能源的发展方向之一 但其目前的应用还没有充分展开 目前应用广泛和受到重视的是储存氢气的材料 简称 储氢材料 因此 以下将重点介绍的是储氢材料 氢气是最清洁的一次能源 它热值高 资源丰富 无毒 无污染 常用氢气的制取方法有 天然气制氢 石油制氢 煤制氢 电解水制氢 生物制氢 太阳能制氢 核能制氢 等离子化学制氢等 氢能源的应用范围广泛且适应性很强 目前较多地应用在燃料电池 氢能汽车 氢能热泵等设备上 氢能储存是氢能开发和氢能利用的重要组成部分 常用的储氢方法有 物理法和化学法 物理储氢法是利用储氢物质与氢分子之间的物理作用或物理吸附来储存氢能 具体的储存方法有 深冷液化储氢 高压压缩储氢 玻璃微球储氢 地下岩洞储氢和超级活性炭吸附储氢 气浆储氢等 另外 用科技方法所制备的福勒稀球 C60 和碳纳米管对氢有较强的吸附作用 其吸氢量比活性炭还要高 有可能成为新一代的储氢材料 化学储氢法是指储氢物质与氢分子之间发生化学反应生成化合物来具有吸附或释放氢的作用 具体的方法有 金属氢化物储氢 无机化合物储氢和有机液态氢化物储氢等 其中金属氢化物可以储存比其体积大1000 1300倍的氢 能量密度大 成本较低且安全稳定 这是一种很有前途的储氢方法 储氢金属氢化物通常是元素周期表中III V族过渡金属反应生成的氢化物 目前研究较多和投入应用的金属氢化物材料主要有五大类 AB5型稀土 镍系储氢材料 AB2型Laves相储氢材料 AB型钛 铁系储氢材料 A2B镁系储氢材料和钒基储氢固溶体材料 常用的具体AB5型稀土 镍系储氢氢化物有 LaNi5H6 0 MmNi5H6 3 MmCo5H3 0 Mm0 5Ca0 5Ni5H0 5 Mm0 9Ti0 1Ni5H4 5 MmNi4 5Mn0 5H6 6 MmNi2 5Co2 5H5 2 Mm4 5Ni4 5Al0 5H4 9 MmNi4 5Cr