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新能源材料技术 主讲 朱继平E mail jpzh 合肥工业大学材料科学与工程学院 1 绪论 新能源与新能源材料材料的作用新能源材料的任务及面临的课题一些新能源材料的主要进展 2 1新能源与新能源材料 新能源的出现与发展 一方面是能源技术本身发展的结果 另一方面也是由于这些能源有可能解决资源与环境问题而受到支持与推动 太阳能 生物质能 核能 新型反应堆 风能 地热 海洋能等一次能源和二次能源中的氢能等被认为是新能源 其中氢能 太阳能 核能是有希望在2l世纪得到广泛应用的能源 新能源的发展一方面靠利用新的原理 如聚变核反应 光伏效应等 来发展新的能源系统 同时还必须靠新材料的开发与应用 才能使新的系统得以实现 并进一步地提高效率 降低成本 3 2材料的作用 1 新材料把原来习用已久的能源变成新能源 例如从古代起 人类就使用太阳能取暖 烘干等 现在利用半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能 再有 过去人类利用氢气燃烧来获得高温 现在靠燃料电池中的触媒 电解质 使氢与氧反应而直接产生电能 并有望在电动汽车中得到应用 2 一些新材料可提高储能和能量转化效果 如储氢合金可以改善氢的存储条件 并使化学能转化为电能 金属氢化物镍电池 锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池 4 3 新材料决定着新能源的性能与安全性 新型核反应堆需要新型的耐腐蚀 耐辐照材料 这些材料的组成与可靠性对反应堆的安全运行和环境污染起决定性作用 4 材料的组成 结构 制作与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本 例如 太阳电池所用的材料决定着光电转换效率 燃料电池及蓄电池的电极材料及电解质的质量决定着电池的性能与寿命 而这些材料的制备工艺与设备又决定着能源的成本 因此 这些因素是决定该种新能源能否得到大规模应用的关键 5 3新能源材料的任务及面临的课题 为了发挥材料的作用 新能源材料面临着艰巨的任务 作为材料科学与工程的重要组成部分 新能源材料的主要研究内容同样也是材料的组成与结构 制备与加工工艺 材料的性质 材料的使用效能以及它们四者的关系 结合新能源材料的特点 新能源材料研究开发的重点有以下几方面 6 1 研究新材料 新结构 新效应以提高能量的利用效率与转换效率例如 研究不同的电解质与催化剂以提高燃料电池的转换效率 研究不同的半导体材料及各种结构 包括异质结 量子阱 以提高大阳电池的效率 寿命与耐辐照性能等 7 2 资源的合理利用新能源的大量应用必然涉及到新材料所需原料的资源问题 例如 太阳电池若能部分地取代常规发电 所需的半导体材料要在百万吨以上 对一些元素 如镓 铟等 而言是无法满足的 因此一方面尽量利用丰度高的元素 如硅等 另一方面实现薄膜化以减少材料的用量 又例如 燃料电池要使用铂作触媒 其取代或节约是大量应用中必须解决的课题 当新能源发展到一定规模时 还必须考虑废料中有价元素的回收工艺与循环使用 8 3 安全与环境保护这是新能源能否大规模应用的关键 例如 锂电池具有优良的性能 但由于锂二次电池在应用中出现过因短路造成的烧伤事件 以及金属锂因性质活泼而易于着火燃烧 因而影响了应用 为此 研究出用碳素体等作负极载体的锂离子电池 使上述问题得以避免 现已成为发展速度最快的二次电池 另外有些新能源材料在生产过程中也会产生三废而对环境造成污染 还有服务期满后的废弃物 如核能废弃物 会对环境造成污染 这些都是新能源材料科学与工程必须解决的问题 9 4 材料规模生产的制作与加工工艺在新能源的研究开发阶段 材料组成与结构的优化是研究的重点 而材料的制作和加工常使用现成的工艺与设备 到了工程化的阶段 材料的制作和加工工艺与设备就成为关键的因素 在许多情况下 需要开发针对新能源材料的专用工艺与设备以满足材料产业化的要求 这些情况包括 大的处理量 高的成品率 高的劳动生产率 材料及部件的质量参数的一致性 可靠性 环保及劳动防护 低成本 10 5 延长材料的使用寿命现代的发电技术 内燃机技术是众多科学家与工程师在几十年到上百年间的研究开发成果 用新能源及其装置对这些技术进行取代所遇到的最大问题是成本有无竞争性 从材料的角度考虑 要降低成本 一方面要靠从上述各研究开发要点方面进行努力 另一方面还要靠延长材料的使用寿命 这方面的潜力是很大的 这要从解决材料性能退化的原理着手 采取相应措施 包括选择材料的合理组成或结构 材料的表面改性等 并要选择合理的使用条件 如降低燃料中的有害杂质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一个明显的例子 11 4一些新能源材料的主要进展 4 1锂离子二次电池材料锂离子电池的发展方向为 发展电动汽车用大容量电池 提高小型电池的性能 加速聚合物电池的开发以实现电池的薄型化 这些都与所用材料的发展密切相关 特别是与正极材料 负极材料和电解质材料的发展有关 12 4 1 1碳负极材料 最早使用金属锂作为负极 但由于此种电池在使用中曾突发短路 使用户烧伤 因此被迫停产并收回出售的电池 这是由于金属锂在充放电过程中形成树枝状沉积而造成的 现在实用化的电池是用碳负极材料 靠锂离子的嵌入和脱嵌实现充放电的 从而避免了上述不安全问题 通过堆不同碳素材料在电池中的行为研究 是碳负极材料得到优化 13 4 1 2正极材料 目前使用的正极材料为LiCoO2 对此化合物的晶体结构 化学组成 粉末粒度以及粒度分布等因素对电池性能的影响进行了深入的研究 为了降低成本 提高电池的性能 还研究了一些金属取代金属钴 目前研究较多的是LiMn2O4和LiFePO4 还在研究双离子传递型聚合物正极材料 14 4 1 3电解质材料 研究集中在非水溶剂电解质方面 这样可以得到高的电池电压 重点是针对稳定的正负极材料调整电解质溶液的组成 以优化电池的综合性能 还发展了在电解液中添加SO2和CO2等方法以改善碳材料的初始充放电效率 三元或多元混合溶剂的电解质可以提高锂离子电池的低温性能 15 4 2太阳能电池材料 太阳能为人类最主要的可再生能源 但是这一巨大的能量却分散到整个地球表面 单位面积接受的能量强度不高 所以制约太阳能电池发展的因素有 接受面积的问题 能量按照时间分布不均的问题 电池材料的资源问题 成本问题 综合上述因素 太阳能电池材料的发展主要围绕着提高转换效率 节约材料成本等问题进行研究 主要有以下进展 16 1 发展新工艺 提高转换效率 材料工艺包括材料提纯工艺 晶体生长工艺 晶片表面处理工艺 薄膜制备工艺 异质结生长工艺 量子阱制备工艺等 通过以上的研究进展 使得太阳能电池的转换效率不断提高 单晶硅电池转换效率已经达到23 7 多晶硅电池已达18 6 2 发展薄膜电池 节约材料消耗目前大量应用的是晶体硅电池 此种材料属间接禁带结构 需较大的厚度才能充分地吸收太阳能 而薄膜电池如砷化镓电池 碲化镉电池 非晶硅电池 则只需1 m 2 m的有源层厚度 而多晶硅薄膜电池的有源层厚度又降到50 m 同时使用衬底剥离技术 使衬底可以多次使用 17 3 材料大规模的加工技术提高太阳电池成本竞争力的途径之一是扩大生产规模 其中材料制备与加工技术是关键的因素 为此研究开发大生产的工艺与设备 目前生产的太阳电池的70 80 是晶体硅太阳能电池 它们使用的原料为生产半导体器件用晶体的头尾料及等外品 4 与建筑相结合解决太阳能电池占地面积问题的方向之一是与建筑相结合 除了建筑物的屋顶可架设太阳电池板之外 将太阳电池做在建筑材料上是值得重视的 18 4 3燃料电池材料 研究开发燃料电池的目的是使其成为汽车 航天器 潜艇的动力源或组成区域供电 现针对上述不同用途开发的燃料电池有碱性氢氧电池 AFC 磷酸型燃料电池 PAFC 质子交换膜型燃料电池 PEMFC 熔融碳酸盐型燃料电池 MCFC 和固体氧化物燃料电池 SOFC 燃料电池材料的发展主要围绕提高燃料发电的效率 延长电池的工作寿命 降低发电成本等方面 19 4 4核能材料 核反应堆可分为裂变反应堆和聚变反应堆两大类 裂变反应堆已经大量使用 对其材料的研究除了优化商品堆的性能外 主要是为了满足新型堆的需要 聚变堆离实际的应用还有一段相当的距离 目前核能材料的研究发展重点有以下几方面 1 包壳材料包壳材料的主要功能是在裂变堆中将燃料和冷却剂分开 对它的技术要求是应具备低的中子吸收截面 良好的抗辐射性能 与燃料相容性好 满意的耐蚀性 足够的力学性能 已使用的有铝合金 锆合金 镁合金 不锈钢等 研究的重点是快中子增殖堆 20 2 核燃料核燃料一方面要在核素组成方面满足核反应的要求 另一方面应具备缝合反应堆要求的具体形状 高温气冷堆的温度很高 要求使用包覆型颗粒 即在氧化物核燃料小球的表面有热裂解碳或碳化物包覆 3 聚变堆的第一壁材料它是聚变堆中技术要求最苛刻的材料 第一壁是托克马克型聚变堆包容等离子区和真空区的部件 它要经受14MeV中子及其他高能带电粒子的轰击 其辐照效应比裂变堆所经受的要强的多 4 核废料的处理在反应堆的运行和退役阶段均产生不同放射性的核废料 因此有必要进行处理 21 主要