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关于能源材料的论文 篇一：新能源材料的研究进展 摘要:新能源是降低碳排放、优化能源结构、实现可持续发展的重要途径,新能源材料是引导和支撑新能源发展的重要基础,新能源系统中得到了大量应用概要介绍了目前在新能源发展过程中发挥重要作用的核用锆合金、镍氢动力电池关键材料及氢质高容量储氢材料等新能源材料的现状及存在问题 关键词:新能源;氢能;新能源材料 新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料新能源材料对新能源的发展发挥了重要作用,一些新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生,一些新能源材料的应用提高了新能源系统的效率,新能源材料的使用直接影响着新能源系统的投资与运行成本本文主要介绍核用锆合金、锂离子电池关键材料、镍氢动力电池关键材料及氢能燃料电池关键材料等新能源材料的现状及存在问题 轻质高容量储氢材料 目前得到实际应用的储氢材料主要有AB5型稀土系储氢合金、钛系AB型合金和AB2型Laves相合金,但这些储氢材料的储氢质量分数低于212%近期美国能源部将年储氢系统的储氢质量分数的目标调整为515%,目前尚无一种储氢方式能够满足这一要求,因此必须大力发展新型高容量储氢材料目前的研究热点主要集中在高容量金属氢化物储氢材料、配位氢化物储氢材料、氨基化合物储氢材料和MOFs等方面的研究 在金属氢化物储氢材料方面,北京有色金属研究总院近期研制出Ti32Cr46V22Ce014合金,其室温最大储氢质量分数可达3165%,在70和011MPa条件下有效放氢质量分数达到215%35目前研究报道的钛钒系固溶体储氢合金,大多以纯V为原料,合金成本偏高,大规模应用受到限制,因此,高性能低钒固溶体合金和以钒铁为原料的钛钒铁系固溶体储氢合金的研究日益受到重视 1997年,Bogdanovic等人发现当以Ti(OBun)4为催化剂时,NaAlH4在中温条件(100200)下可实现可逆吸放氢,其理论储氢质量分数可达516%,从而掀起了配位氢化物储氢材料的研究热潮近10年来,各国学者为提高配位氢化物储氢材料的储氢性能开展了大量研究,目前,添加催化剂的Na2Al2H系氢化物储氢材料在150下的有效储放氢质量分数已达415%但仍存在以下问题:制备条件苛刻、工艺复杂、成本高,需探索新的低成本合成制备方法;吸放氢热力学性能差,需探索新的配位氢化物以改善其放氢热力学性能,需研发新的催化剂与催化技术,以提高其催化效率;催化机理尚不清晰,还需进一步深入研究材料在吸放氢过程中的动态结构变化、催化原子的占位及其材料的界面特性等,准确揭示材料的催化吸放氢机理 年,陈萍等首次报道了在250条件下金属氨基物Li2N2H的可逆吸放氢质量分数高达615%,引起了同行研究者对于新型金属氮氢化物储氢材料的极大关注,但这一材料的吸放氢平台压力偏低,放氢温度较高当采用电负性较高的Mg部分替代Li后,材料的吸放氢温度显著降低,200时其储氢质量分数约为510%随后对于类似的amide2hydride体系,如LiNH2CaH2,Mg(NH2)2NaH,Mg(NH2)2CaH2,Ca(NH2)2LiH,和Mg(NH2)2MgH2等进行了大量研究最近,陈萍等又在高容量氨基硼烷化合物储氢材料的研究中取得了新进展,他们将碱金属氢化物引入NH3BH3中,合成的碱金属氨基硼烷化合物,在90条件下放氢质量分数高达1019%,但其可控放氢性能还有待提高 核用锆合金 核反应堆中,目前普遍使用锆合金作为堆芯结构部件和燃料元件包壳材料Zr2,Zr4和Zr215Nb是水堆用3种最成熟的锆合金,Zr2用作沸水堆包壳材料,Zr4用作压水堆、重水堆和石墨水冷堆的包壳材料,Zr215Nb用作重水堆和石墨水冷堆的压力管材料,其中Zr4合金应用最为普遍,该合金已有30多年的使用历史为提高性能,一些国家开展了改善Zr4合金的耐腐蚀性能以及开发新锆合金的研究工作通过将Sn含量取下限,Fe,Cr含量取上限,并采取适当的热处理工艺改善微观组织结构,得到了改进型Zr4包壳合金,其堆内腐蚀性能得到了改善但是,长期使用证明,改进型Zr4合金仍然不能满足50GWd/tU以上高燃耗的要求针对这一情况,美国、法国和俄罗斯等国家开发了新型Zr2Nb系合金,与传统Zr2Sn合金相比,Zr2Nb系合金具有抗吸氢能力强,耐腐蚀性能、高温性能及加工性能好等特性,能满足60GWd/tU甚至更高燃耗的要求,并可延长换料周期这些新型锆合金已在新一代压水堆电站中获得广泛应用,如法国采用M5合金制成燃料棒,经在反应堆内辐照后表明,其性能大大优于Zr4合金,法国法玛通公司的AFA3G燃料组件已采用M5合金作为包壳材料 随着我国核电的快速发展,锆合金加工材的需求量将大幅度增长目前,我国现有核电站每年仅更换核燃料组件就需锆合金管材100多吨到2020年,按核能发电总容量70106kW计,仅考虑新建反应堆首炉装料,其锆合金加工材一次性投入量将达2000t,同时考虑堆内核燃料组件的每年更换,锆合金加工材用量将稳定在1000t/a左右制备技术国核宝钛锆业股份公司以核电锆合金加工材国产化为目标,从国外引进了全套锆合金管材生产装备,使我国生产锆合金加工材的装备水平达到了20世纪90年代国际先进水平上海高泰稀 贵金属股份有限公司也建立了一条锆管材生产线通过对引进设备的消化、吸收及再创新,2条生产线已形成年产615105m成品锆管的生产能力 随着我国核电的快速发展,锆合金加工材的需求量将大幅度增长目前,我国现有核电站每年仅更换核燃料组件就需锆合金管材100多吨到2020年,按核能发电总容量70106kW计,仅考虑新建反应堆首炉装料,其锆合金加工材一次性投入量将达2000t,同时考虑堆内核燃料组件的每年更换,锆合金加工材用量将稳定在1000t/a左右 我国是世界上少数几个掌握锆合金加工材生产技术的国家之一,自主研制的Zr4合金已成功应用于秦山核电站一期工程但目前我国核级锆合金加工材生产还没有形成完整的工业体系,与国外先进水平相比仍存在较大差距,具体表现在:尚未突破生产核级海绵锆的关键工艺流程,核级海绵锆的生产处于停滞状态,国产核级海绵锆的供应不足影响了锆材生产虽然我国将引进美国华昌公司锆铪分离技术,但这一技术仍存在着严重的环境污染隐患;新锆合金的开发和使用滞后于核电站的应用需求,对于锆铌系合金,我国仍处于研究中试阶段,缺乏堆内的考核试验数据;目前锆管生产工艺流程中仍存在着一些严重影响质量、寿命和安全性的问题 固体氧化物燃料电池 传统的固体氧化物燃料电池(SOFC)通常在8001000的高温条件下工作,由此带来材料选择困难、制造成本高等问题如果将SOFC的工作温度降至600800,便可采用廉价的不锈钢作为电池堆的连接材料,降低电池其他部件(BOP)对材料的要求,同时可以简化电池堆设计,降低电池密封难度,减缓电池组件材料间的互相反应,抑制电极材料结构变化,从而提高SOFC系统的寿命,降低SOFC系统的成本工作温度进一步降至400600时,有望实现SOFC的快速启动和关闭,这为SOFC进军燃料电池汽车、军用潜艇及便携式移动电源等领域打开了大门 实现SOFC的中低温运行有两条主要途径:继续采用传统的YSZ电解质材料,将其制成薄膜,减小电解质厚度,以减小离子传导距离,使燃料电池在较低的温度下获得较高的功率输出;开发新型的中低温固体电解质材料及与之相匹配的电极材料和连接板材料YSZ电解质过度 薄膜化不利于电池的放大和规模化制作,因此YSZ并不适用于低温SOFC(600以下)的电解质目前在低温SOFC中应用较多的电解质材料是掺杂氧化铈(DCO)(包括SDC,GDC,YDC)和Sc掺杂的氧化锆(SSZ)采用廉价的陶瓷工艺,可以制备出约10m厚的致密DCO薄膜,该薄膜500时的面电阻为011cm2左右与此同时,还开发出一些与DCO相匹配的高性能电极材料(特别是阴极),通过优化电极结构(特别是阳极基体),使得电池性能有了一定的提高 在SOFC中碳氢燃料可通过内重整得到H2和CO,随后H2和CO在阳极上分别氧化为H2O和CO2,同时产生电能和高温热能内重整可以提高效率,简化系统,降低成本,但直接内重整易在Ni阳极上产生碳沉积,导致电池活性快速下降因此,阳极必须具有长期 的抗积碳能力阴极材料的欧姆损失约占整个中温SOFC系统欧姆损失的65%若进一步降低SOFC的运行温度,将引起阴极的极化过电位和界面电阻的进一步增大因此,研制与中温电解质材料相匹配的新型阴极材料是开发中温SOFC的前提和基础46有些阴极材料在CO2气氛中的化学稳定性较差,应研究开发能稳定工作的抗CO2阴极材料 镍氢动力电池关键材料 镍氢电池是我国具有较强资源优势的高科技产品,在国际市场具有较强的竞争优势年,我国出口镍氢电池9108只,超过日本成为镍氢电池的第一生产大国,确立了我国作为世界镍氢电池生产基地的战略地位镍氢动力电池已进入成熟期,在商业化、规模化应用的混合动力汽车中得到了实际验证,全球已经批量生产的混合动力汽车大多采用镍氢动力电池目前技术较为领先的是日PanasonicEVEnergy公司,其开发的电池品种主要为615Ah电池,形状有圆柱型和方型两种形式,电池比能量为45Wh/kg,比功率达到1300W/kg采用镍氢动力电池的Prius混合动力轿车在全球销售约120万辆,并已经受了11年左右商业 运行考核随着Prius混合动力轿车需求增大,原有的镍氢动力电池的产量已不能满足市场需求,Panaso2nicEVEnergy公司正在福岛县新建一条可满足106台/a电动汽车用镍氢动力电池的生产线,计划3年后达产 目前镍氢电池所采用的正极材料均为球型Ni(OH)2,镍氢动力电池正极材料的研发重点是改善高温条件下高倍率充放电效率及其可靠性,主要方法为调整材料组分,掺杂稀土氧化物及其进行颗粒表面修饰等此外,还开展了材料的低维化研究以提高材料的震实密度及质子的扩散速率,通过金属置换、嵌入式双氢氧化物和C/Ni(OH)2复合正极材料的研究以增加电极反应电子转移数,提高材料比容量等 低铂与非铂质子交换膜燃料电池催化剂 催化剂是质子交换膜燃料电池的关键材料之一,对于燃料电池的效率、寿命和成本均有较大影响在目前技术水平下,燃料电池中Pt的使用量为1115g/kW,当燃料电池汽车达到106辆的规模(总功率4107kW)时,Pt的用量将超过40t,而世界Pt族金属总储量仅56000t,且主要集中于南非(77%)、俄罗斯(13%)和北美(6%)等地,我国本土 的铂族金属矿产资源非常贫乏,总保有储量仅310t铂金属的稀缺与高价已成为燃料电池大规模商业化应用的瓶颈之一如何降低贵金属铂催化剂的用量,开发非铂催化剂,提高其催化性能,成为当前质子交换膜燃料电池催化剂的研究重点 “十五”以来,我国在质子交换膜燃料电池的研发方面投入较大,但重点集中于燃料电池发动机系统集成,目前研发电池所用的催化剂、质子交换膜和碳纸等关键材料仍主要依赖进口近年来,在国家各类计划的支持下,燃料电池催化剂的研究取得了一定进步常规的Pt/C,PtRu/C催化剂的制备技术取得了一些突破,但尚未形成了稳定的批量供应能力,同时在抗中毒催化剂、低铂催化剂、非铂催化剂以及催化剂的回收和再生技术等方面的研究工作尚需加强 结语 开发新能源是降低碳排放、优化能源结构、实现人类社会可持续发展的重要途径在新能源的发展过程中,新能源材料起到了不可替代的重要作用,引导和支撑了新能源的发展核能材料是发展核能的重要基础储能材料是发展节能的清洁交通和新型储能器件的重要支撑新能源材料是推动氢能燃料电池快速发展的重要保障提高能效,降低成本,节约资源,环境友好,将成为新能源发展的永恒主题,新能源材料将在其中发挥越来越重要的作用如何针对新能源发展的重大需求,解决相关新能源材料的材料科学基础研究和重要工程技术问题,将成为材料工作者的重要研究课题 参考文献： 1简旭宇成艳朱磊高温镍氢动力电池用镍电极的研究J.Synthesis Chemistry(合成化学),15(B11):195200. 2郑雪萍曲选辉李平稀土系储氢合金性能影响因素的研究现状J.MetalFunctionalMaterial(金属功能材料),13(6):3236 3樊小光吴博荣朱磊etal复合添加Lu2O3和Er2O3对镍氢电池Ni(OH)2正极高温性能的影响J.RareMetals(稀有金属),31(1):8185. 4孟良荣王金良电动车电池现状与发展趋势J.BatteryIndustry(电池工业),11(3):202206. 5杨萍贮氢合金的研究和进展J.ShanghaiNonferrousMetals(上海有色金属),27(3):3536. 6刘乘新锆合金在核工业中的应用现状及发展前景J.RareMetalsLetters(稀有金属快报),23(5):2123. 篇二：新能源材料的发展 能源是经济和社会发展的重要物质基础自工业革命以来全球煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速生态环境不断恶化特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化人类社会的可持续发展受到严重威胁可再生能源包括水能、生物质能、风能、太阳能、地热能和海洋能等资源潜力大环境污染低可永续利用是有利于人与自然和谐发展的重要能源上世纪70年代以来可持续发展思想逐步成为国际社会共识可再生能源开发利用受到世界各国高度重视各国将开发利用可再生能源作为能源战略的重要组成部分提出了明确的可再生能源发展目标制定了鼓励可再生能源发展的法律和政策可再生能源得到迅速发展在新技术基础上系统地开发利用的可再生能源如核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等新能源新材料是在环保理念推出之后引发的对不可再生资源节约利用的一种新的科技理念新能源新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料具有比传统材料更为优异的性能能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等 一、新能源新材料发展方向 （一）、超导材料 有些材料当温度下降至某一临界温度时其电阻完全消失这种现象称为超导电性具有这种现象的材料称为超导材料超导体的另外一个特征是：当电阻消失时磁感应线将不能通过超导体这种现象称为抗磁性一般金属（例如：铜）的电阻率随温度的下降而逐渐减小当温度接近于0K时其电阻达到某一值而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银当温度下降到4.2K（即269）时发现水银的电阻完全消失超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性使超导体电阻为零的温度称为临界温度（TC）超导材料研究的难题是突破“温度障碍”即寻找高温超导材料以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的但是由于常规低温超导体的临界温度太低必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用因而严重地限制了低温超导应用的发展高温氧化物超导体的出现突破了温度壁垒把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区同液氦相比液氮是一种非常经济的冷媒并且具有较高的热容量给工程应用带来了极大的方便另外高温超导体都具有相当高的磁性能能够用来产生20T以上的强磁场超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体制成的超导发电机可以将发电机的磁场强度提高到56万高斯而且几乎 没有能量损失与常规发电机相比超导发电机的单机容量提高510倍发电效率提高50%；超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户据统计目前的铜或铝导线输电约有15%的电能损耗在输电线上在中国每年的电力损失达1000多亿度若改为超导输电节省的电能相当于新建数十个大型发电厂；超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料的抗磁性将超导材料置于永久磁体（或磁场）的上方由于超导的抗磁性磁体的磁力线不能穿过超导体磁体（或磁场）和超导体之间会产生排斥力使超导体悬浮在上方利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车如已运行的日本新干线列车上海浦东国际机场的高速列车等；用于超导计算机高速计算机要求在集成电路芯片上的元件和连接线密集排列但密集排列的电路在工作时会产生大量的热量若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件则不存在散热问题可使计算机的速度大大提高 （二）、能源材料 能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等太阳能电池材料是新能源材料IBM公司研制的多层复合太阳能电池转换率高达40%氢是无污染、高效的理想能源氢的利用关键是氢的储存与运输美国能源部在全部氢能研究经费中大约有50%用于储氢技术氢对一般材料会产生腐蚀造成氢脆及其渗漏在运输中也易爆炸储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物当需要时加热放氢放完后又可以继续充氢的材料目前的储氢材料多为金属化合物如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等固体氧化物燃料电池的研究十分活跃关键是电池材料如固体电解质薄膜和电池阴极材料还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等 （三）、智能材料 智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料是现代高技术新材料发展的重要方向之一国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破如英国宇航公司的导线传感器用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金寿命期具有百万次循环且输出功率高以它作制动器时、反应时间仅为10分钟；形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域另外还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等功能材料（四）、磁性材料 磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料二类 1.软磁材料 软磁材料是指那些易于磁化并可反复磁化的材料但当磁场去除后磁性即随之消失这类材料的特性标志是：磁导率（=B/H）高即在磁场中很容易被磁化并很快达到高的磁化强度；但当磁场消失时其剩磁很小这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术如磁芯、磁头、存储器磁芯；在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等目前常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属Fe(3%4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料常用作低频变压器、 电动机及发电机的铁芯；铁镍合金的性能比铁硅合金好典型代表材料为坡莫合金（Permalloy）其成分为79%Ni21%Fe坡莫合金具有高的磁导率（磁导率为铁硅合金的1020倍）、低的损耗；并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面是重要的电子材料；非晶金属（金属玻璃）与一般金属的不同点是其结构为非晶体它们是由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si所组成其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构非晶金属具有非常优良的磁性能它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等另外有的非晶金属具有优良的耐蚀性有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点 2永磁材料（硬磁材料） 永磁材料经磁化后去除外磁场仍保留磁性其性能特点是具有高的剩磁、高的矫顽力利用此特性可制造永久磁铁可把它作为磁源如常见的指南针、仪表、微电机、电动机、录音机、电话及医疗等方面永磁材料包括铁氧体和金属永磁材料两类铁氧体的用量大、应用广泛、价格低但磁性能一般用于一般要求的永磁体金属永磁材料中最早使用的是高碳钢但磁性能较差高性能永磁材料的品种有铝镍钴（AlNiCo）和铁铬钴（FeCrCo）；稀土永磁如较早的稀土钴（ReCo）合金（主要品种有利用粉末冶金技术制成的SmCo5和Sm2Co17）以及现在广泛采用的铌铁硼（NbFeB）稀土永磁铌铁硼磁体不仅性能优而且不含稀缺元素钴所以很快成为目前高性能永磁材料的代表已用于高性能扬声器、电子水表、核磁共振仪、微电机、汽车启动电机等 （五）、纳米材料 纳米本是一个尺度纳米科学技术是一个融科学前沿的高技术于一体的完整体系它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然通过直接操作和安排原子、分子创新物质纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学七个方面纳米材料是纳米科技领域中最富活力、研究内涵十分丰富的科学分支用纳米来命名材料是20世纪80年代纳米材料是指由纳米颗粒构成的固体材料其中纳米颗粒的