第一章-新能源材料导论

新能源材料,胡国荣教授中南大学冶金科学与工程学院,第一章绪论,一，课程背景二，课程内容三，新能源概述3.1能源现状及问题3.2绿色技术3.3新能源概念3.4新能源材料3.5新能源器件3.6新能源材料与器件的发展,新能源材料是国家战略性新兴产业，战略性新兴产业是新兴技术和新兴产业的深度融合，既代表着科学技术创新的方向，也代表着产业发展的方向，已经成为推动产业结构升级和引领社会进步的根本动力。新能源是世界经济发展中最具决定性影响的五大领域之一（信息、生物、新材料、新能源、空间技术）。,一.课程背景,新能源材料,战略新兴产业：新能源、新材料、新能源汽车,一.课程背景,新能源技术促进和谐发展推动低碳经济,一课程背景可持续发展的要求,前言,低碳生活发展清洁可再生能源实现清洁能源的高效利用,动力型超级电容器,锂动力电池组,一.课程背景面临任务,研发环境友好、清洁高效的新能源材料与器件成为能源领域的主旋律。,能潜水30分钟的手机,比亚迪F6,新能源器件,发明:D.M.Chapin,C.S.Fuller,G.L.Pearson，1954,BellLab；发展：从硅片到薄膜；从单个组件到系统；从屋顶到光伏建筑集成,新能源器件,二.课程教学内容,本课程集中讲述当今主流新能源材料与器件的发展概况，内容涉及各类新能源材料的基本原理、基本结构和性能等，重点介绍锂离子二次电池、太阳能电池、燃料电池、超级电容器等器件及关键材料的应用和发展前景。参考书目：新能源材料陈军编著新能源材料艾德生编著新能源技术翟秀静编著新能源材料及应用张淑谦,三、新能源概述,3.1能源1.基本概念能量形式:机械能(风能、水能等)、电磁能、热能、化学能、原子能、光能。能源:自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。,关于能源的定义，说法较多。科学技术百科全书：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；大英百科全书：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；日本大百科全书：“在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源”；我国能源百科全书：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。,2.能源种类：,按形成方式可分为：一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、太阳能等；二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、煤气、氢等，它们使用方便，易于利用，是高品质的能源。按循环方式可分为：可再生能源，即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如风能、生物质能、太阳能、氢能等；非再生能源，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。按环境保护的要求可分：清洁能源（绿色能源，如太阳能、氢能、风能、化学能源等）和非清洁能源（如，化石燃料）按对被利用的程度分：常规能源，被广泛利用的能源如煤、石油、水力、电能；新能源，如太阳能、氢能、地热能、生物质能等，另外还有核能。,三、新能源,3.能源现状与问题,人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。,非再生能源:石油、天然气、煤炭和裂变核燃料约占能源总消费量的85%左右（全世界为90%）再生能源:水力、太阳能、风能等只占15%左右。2050年争取达到50%。,各种能源的消费比例图:左图为我国能源结构；右图为世界能源分布图,再生能源分布:太阳能占99%以上,风能、地热能、生物质能等不到1%人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发展的能源保证。,非水可再生能源（风能、太阳能、地热能、潮汐能、波浪能、以及生物能）的发电量会从2007年的2.5%增长至2030年的8.6%。,能源问题矿物能源面临枯竭,能源危机与能源安全是当前世界各国面临的严峻挑战改善能源结构，实现能源多元化是国家发展的必然选择!,利用能源的过程直接污染地球环境。主要来源：1)煤、石油等燃料的燃烧；2)汽车排放的废气；3)工业生产(化工厂、炼焦厂等)过程中产生的废气。,大气污染：1)酸雨问题；2)温室效应；3)臭氧层破坏。,能源问题环境污染,温室效应温室气体含量与来源,由于人类大量使用化石燃料，其排放出的CO2等温室气体对辐射的选择性和吸收特性是使地球变暖的主要原因。,燃煤污染物所占比列,SO285%CO285%NOx60%粉尘70%,污染现状,城市污染源5090%为汽车排气污染（CO、HC、NOX）,3.2绿色技术,随着世界人口剧增，常规能源的日益匮乏及大量污染物的排放又进一步加剧了人类生态环境的恶化。为此，人类需要来寻求一种新的技术体系，以实现人类的可持续发展。绿色技术应运而生，是指能减少污染、降低消耗和改善生态的技术体系。尽量设计没有或者只有尽可能小的环境负作用的产品，并且在技术上和经济上可行的生产和应用过程。它使所研究开发得产品和过程对环境更加友好，是实现污染预防的基本的和重要的科学手段。绿色技术主张在通过化学转换获取新物质的过程中充分利用每个原子，具有原子经济性，因此它既能够合理利用资源和能源，又能够实现防止污染。,绿色技术是人类用能源危机和环境污染的巨大代价换来的新认识、新思维、新科学体系。其根本点是从源头上防止污染的生成，实现人和生态社会的和谐发展。应用时所遵循的原则：,（1）防止环境污染；（2）提高原子经济性；（3）尽量减少化学合成中的有毒原料和有毒产物；（4）设计安全的化学品；（5）使用安全的溶剂和助剂；（6）提高能源经济性；（7）原料的再利用；（8）减少官能团的引人；（9）新型催化剂的开发；（10）产物的易降解性；（11）以降低环污染为宗旨的现场实际分析;（12）防止生产事故的安全生产工艺。,原料能够摆脱化石燃料的限制,使用过程无排放污染,绿色电池能源转换过程不受热力学卡诺循环限制,绿色新能源的特点与优势,绿色技术在能源领域引发的产业革命正如火如荼：大力发展高效清洁的新能源及其先进能源材料的研究以替代化石能源，改善能源结构、实现能源多元化。,政府相继出台了针对新能源的扶持政策及远景规划，决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动的方式，加快本国新能源产业的产业化和规模化发展。各主要经济体计划在2020年将可再生能源的比重提高至15-20%左右。,全球主要经济体的新能源发展和减排目标,资料来源:交银国际,1.基本概念新能源是相对常规能源而言的，一般指以采用新技术和新材料而获得的，在新技术基础上系统开发利用的能源。包括太阳能、生物质能、化学能源、风能、地热能、海洋能、潮汐能，以及氢能、沼气、酒精、甲醇等。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特征的新能源越来越得到各国的重视。新能源具有资源可持续、清洁、分布均衡等特点，必将成为未来可持续能源系统的支柱。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。,3.3新能源的概念,2.新能源分类,太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，人类通过光热转换技术，光电转换技术和光化转化技术实现了热发电、蓄热、光伏发电和光化学发电等利用形式。目前太阳能的开发还存在转换效率、成本和使用寿命等系列问题。氢能以质量轻、传热高、清洁和来源广等特点展示着诱人的开发前景。氢能的制备、储存和利用是世界各国的研究热点，氢能的制备和贮存距离大规模利用还有一定距离。核能是清洁能源之一，和平利用核能为全球所关注。核能包括核裂变和核聚变。人类已实现对核裂变的控制和利用，但尚未实现可控的核聚变反应。生物质能是绿色能源，科学家们预计将成为未来可持续新能源系统的重要组成部分。生物质气化技术、生物质液化技术、生物质固化技术和生物质发电技术等的开发和应用是世界各国的研究热点。风能是太阳热辐射引起的大气流动的动能，是可再生的清洁能源，风力发电是风能利用的主要领域；海洋能、地热能和可燃冰都是巨大的能源。积极开发科学研究，提供开发技术，是实现可持续发展的需要。,常见新能源,形形色色的新能源,Q:发的电放到那里？,现有能源网络,以风能为例，新能源的利用流程,化学电源（电池）是人们生活中应用广泛的方便储能技术，也是高新技术和现代移动通讯的新型能源。性能优越的金属氰化物-镍电池、锂离子电池和燃料电池是21世纪的绿色能源。化学电源储能的电化学原理、制造技术和发展趋势是新能源开发的重要组成部分。,电能储存是当前研究的重点。,3.先进储能技术,储能，是指能量转化为在自然条件下比较稳定的存在形态的过程：自然储能光合作用（太阳能转化为化学能储存）人为储能机械储能、化学储能、电磁储能、水能储存等,新能源概述,储能技术：在能源开发、转换、运输和利用过程中，能量的供应和需求之间往往存在数量上、形态上和时间上的差异。为了弥补这些差异、有效利用能源，而采取的储存和释放能量的人为过程或技术。,储能系统本身并不节约能源，主要在于能够提高能源利用体系的效率，促进新能源如太阳能和风能的发展。储能技术是合理、高效、清洁利用能源的重要手段。,储能技术一般要求:储能密度大变换损耗小运行费用低维护较容易不污染环境应用最广最主要的是电能储存。,储能系统评价指标:储能密度储能功率储能效率储能价格环境负荷,先进储能技术,电的储能技术大致分三类：直接储存电磁能把电能转化为化学能储存把电能转化为机械能储存,超导线圈蓄能系统,锂电池,钠硫电池,钒液流电池,压缩空气,需要时释放,储能技术将在能源系统、新能源（单个或集成）技术及输送中发挥重要作用。,先进储能电池,3.4新能源材料,节约能源、提高能源利用效率和开发可再生能源正在成为世界能源发展的热点。而在能源科学的研究中，材料研究是根本，它是能源转换和能源储备的物质基础。新能源的开发一方面靠利用新的原理来发展新的能源系统，另一方面靠材料的开发与应用，使新系统得以实现，并提高效率，降低成本。能源材料是材料学科的一个重要研究方向，核心就是通过各种物理和化学的方法来发现新材料、改变传统材料的特性或行为适应新能源的应用领域。,1.能源材料的概念及分类,广义上，凡能源工业及能源利用技术所需的材料都可称为能源材料。有的学者分为：新能源技术材料如增殖堆用核材料、太阳能电池材料节能材料如非晶态金属磁性，超导材料。储能材料如贮氢（吸氢）材料，高比能电池材料。新能源材料：指实现新能源的转化利用及发展新能源技术中所用的关键材料，是发展新能源技术的核心和其应用的基础。从材料学的本质和能源发展的观点看，高效储存和有效利用现有能源的新型材料也可归属为新能源材料。新能源材料是能源转化、储存与应用过程中的关键材料，主要包括太阳能电池材料、燃料电池材料、镍氢电池材料、锂离子电池材料及发展生物质能所需的关键材料等。,2.新能源材料的应用与发展,（1）新材料把原来习用已久的能源变为新能源。如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温。（2）新电极材料可提高储能和能力转化效率如：镍氢电池、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。（3）新材料决定着核反应堆的性能与安全性。新反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐射材料，这些新材料的组成与可靠性对核能的安全运行和环境负荷起决定作用。,（4）材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着新能源安全环保与运行成本。如：太阳电池材料决定着光电转换效率；燃料电池及储能电池的电极材料及电解质的质量决定着电池的性能和寿命；材料的制备工艺及设备又决定着能源的成本。新能源材料是发展新能源产业的基础和先导,研究和开发具有高安全性、成本低廉、环保无毒、性能良好的新材料及其合成体系，对新能源大规模应用具有关键作用和重要的实际意义。,3.5新能源器件,物理电源的种类相对较少,即为满足新能源的高效转换和储存而设计的清洁装置，本课程重点涉及绿色电源器件。,按照新能源利用角度分类,新能源器件呈现“诸子百家”多样化发展,二次电源（能量储存）金属氢化物-镍（MH-Ni）电池、固体电解质电池（钠-硫电池）、锂离子电池、液流电池、电化学电容器。,燃料电池（能量转化）碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接醇类燃料电池、聚合物膜燃料电池、磷酸燃料电池、溶化碳酸盐燃料电池。,二、化学与物理电源概述,太阳能电池（能量转化）硅太阳电池、化合物半导体太阳电池、敏化太阳能电池。,太阳电池太阳电池分为空间和地面两大应用方向，地面应用以晶体硅（单晶硅、多晶硅）太阳电池为主，非晶硅太阳电池和铜铟硒（CIS）等化合物半导体太阳电池有少量应用；空间应用基本为单晶硅太阳电池和砷化镓太阳电池，目前仍以单晶硅电池为主，但砷化镓电池具有良好的应用前景。,燃料电池燃料电池因种种条件所限，目前多为研制或工程示范，距商业化应用尚有距离。,碱性二次电池金属氢化物镍蓄电池及锂离子蓄电池（包括聚合物锂离子蓄电池）主要应用于便携式移动设备，氢镍和锂离子蓄电池则为空间飞行器使用。产品向大容量及功率化动力储能电池的方向发展。,二、化学与物理电源概述,3.6新能源材料与器件的发展,1.新能源成为新兴产业战略重点2009年9月，在联合国气候变化峰会上，胡锦涛主席发表了题为携手应对气候变化挑战的讲话，提出大力发展可再生能源和核能，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达15%左右；2009年11月，温家宝总理在北京人民大会堂发表让科技引领中国可持续发展的讲话中指出，大力发展新能源，提高能源利用效率和优化能源消费结构。在2010年9月发布的国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定中将新能源列为七大战略新兴产业之一。,2.“一代材料，一代技术，一代装备”新能源材料技术的研发与推广将引领和支撑新能源和新能源汽车等国家战略性新兴产业的培育与发展。据预测，到2020年，我国将形成产值超过数万亿元的新能源产业。仅电动汽车年销售量可达500万辆以上，需储电系统7500万kW以上，加上太阳能、风能等新能源储电及电力调峰储电系统，所需储电系统总量将达1.2亿kW以上，到时我国将形成产值分别为2400亿元和1200亿元的储电器件与储电材料产业。,3.新能源材料与器件在实现能源转化、储存和利用以及发展新能源技术起到了关键作用，其研究风生水起，以硅半导体材料为代表的太阳电池、以储氢合金为代表的镍氢电池、以电极材料为代表的锂离子电池、燃料电池、受控热核反应堆材料以及其他储能电池材料等，尤以发电电池和储能电池材料的研究最为突出。研究热点和前沿技术概括为以下几个方面：,（1）太阳能电池及关键材料,高效率、低成本、新型太阳能光伏电池材料，太阳能晶硅冶炼用长寿命石墨材料，太阳能电池制造技术及装备，太阳能电池非玻璃封装技术，中、高温太阳能发电技术与设备，太阳能储热材料，薄膜太阳电池关键技术及装备，聚光、柔性等新型太阳电池技术及装备。基于太阳能在新能源领域的龙头地位，发达国家都将太阳能光电技术放在新能源的首位。目前，以硅电池为主，单晶硅的转换效率达到20%以上，多晶硅达到17%，世界太阳能电池及其组件将以每年30%以上的速度增长，晶体硅电池的优势在一定时期内将继续维持和向前发展。,（2）燃料电池及关键材料,质子交换膜燃料电池及关键材料制备技术，直接醇类燃料电池，中低温固体氧化物燃料电池及微型燃料电池。燃料电池与氢能密切关系，作为电动汽车动力电源一直是发展目标。在材料及部件方面主要进行了电解质材料合成及薄膜化、电极材料合成与电极制备、密封材料及相关测试表征技术的研究开发，如掺杂的LaGaO3、纳米YSZ、锶掺杂的锰酸镧阴极及Ni-YSZ陶瓷阳极的制备与优化等。,（3）动力电池和储能电池及其关键材料高性能锂离子电池正极材料、隔膜材料、电解质材料绿色制备技术；大容量锂动力电