纳米材料在绿色能源中的应用

纳米材料在人居环境中的应用纳米材料在节能减排中的应用纳米材料在绿色能源中的应用纳米材料在太阳能利用中的应用,纳米材料在绿色能源中的应用,Non-RenewableEnergySources,ConventionalPetroleumNaturalGasCoalNuclearUnconventional(examples)OilShaleNaturalgashydratesinmarinesediment,能源的种类,RenewableEnergySources,SolarphotovoltaicsSolarthermalpowerPassivesolarairandwaterheatingWindHydropowerBiomassOceanenergyGeothermalWastetoEnergy,能源的种类,CleanEnergy,CleancoaltechnologyNaturegasNaturalgashydratesNuclear,HydrogenFuelcellRechargeablebatteries,SolarenergyWindHydropowerBiomassOceanenergyGeothermal,纳米材料用于锂离子电池纳米材料用于超级电容器纳米材料用于制氢和储氢纳米材料用于燃料电池,纳米材料在绿色能源中的应用,纳米材料用于锂离子电池,化学电源的发展:,一次电池,干电池,锌锰酸性干电池,锌锰碱性干电池,二次电池,蓄电池,铅酸蓄电池,镍镉碱性蓄电池,镍氢碱性蓄电池,锂离子电池,燃料电池,氢氧燃料电池,有机物燃料电池,锂离子二次电池,20世纪70年代，材料学界、物理学界和化学界同时对石墨嵌入化合物开展了深入研究，发现锂等金属元素可以嵌入到石墨层间，形成石墨嵌入化合物。1990年，日本SONY公司研制出了锂离子电池并开始实现商品化，在二次电池的历史上实现了一次飞跃。,锂离子电池的应用优势,工作电压高：锂离子电池的工作电压在3.6V，是镍镉和镍氢电池工作电压的三倍。比能量高：锂离子电池比能量目前已达150Wh/kg，是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。循环寿命长：目前锂离子电池循环寿命已达1000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种二次电池。自放电小：锂离子电池月自放电率仅为68，远低于镍镉电池（2530）及镍氢电池（3040）。对环境无污染：锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。,镍镉、镍氢、锂离子电池性能的对比：技术参数镍镉电池镍氢电池锂离子电池工作电压（V）1.21.23.6重量比能量(Wh/Kg)5065105-140体积比能量(Wh/l)150200300充放电寿命(次)5005001000自放电率（%/月）25-3030-356-9有无记忆效应有有无有无污染有无无（注：充电速率均为1C）,锂离子电池的构成,正极：钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）锰酸锂（LiMn2O4）等；负极：人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等等；隔膜：聚乙烯（PE）、聚丙稀（PP）等组成的单层或者多层的微多孔薄膜；电解液：碳酸丙稀酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、二甲基碳酸酯（DMC）、二乙基碳酸酯（DEC）、甲基乙基碳酸酯（MEC）等组成的一元、二元或者三元的混合物,离子电池工作锂原理,LiCoO2,Li+ionsareshuttledbetweenelectrodesduringchargeanddischarge,cathode,Graphite(C),anode,Organicliquid,electrolyte,SONYbattery(1990),Li+arethecarriers,Newmaterialsforcathodes,LiNiO2LiNi1-yCoyO2LiMnO2LiMn2O4(spinelstructure)LiFePO4(olivinestructure),Requisites:layeredstructureor3DstructurescontainingpathwaysforLi+,Layeredstructures,3Dstructures,Focus:materialswhichcanreplaceLiCoO2(cheap,non-toxic),近期的热点LiFePO4,Ideally,LiFeO2forlowcostandtoxicity,LiFeO2doesnotoffersatisfactoryperformance,LiFePO4offersbetterperformance,OlivineLiFePO4,Disadvantage:lowconductivity,(PO4)3-substitutesforO2-,LayeredLiFeO2,Influenceofnanostructureontheperformanceofthecathode,构建纳米级的孔隙结构，可在保证容量的情况下，有效提高充放电效率,LiFe0.9P0.95O4-wassynthesizedbyball-millingLi2CO3,FeC2O42H2OandNH4H2PO4inappropriateamounts.,采用纳米化的LiFePO4组装的锂电池，具有优异的能量特性及功率特性,负极材料：,炭材料,石墨,天然或人工石墨石墨化碳,碳纤维,介稳相球状碳,非石墨,软碳（焦炭）,硬碳,Polyacene线性石墨混合物,掺杂型碳,金属氧化物：SnO2、WO2、MoO2、TiO2、VO2、LixFe2O3、Li4Ti5O12等,用于锂离子电池的炭材料的结构,纳米炭材料用于锂离子电池负极材料,Li-ionsecondarybattery,在碳纳米管上引入羰基官能团，保证了高容量；并保留大量的孔隙，大幅提高器件的功率密度,构建合理的离子通道提高器件的功率特性,Discharge(lithiation):MO+Li+eM+Li2O,Charge(delithiation):M+Li2OMOLi+e,HighlyActive,NoActivity,金属氧化物用于高容量二次锂离子电池电极材料,金属氧化物颗粒,金属氧化物粉末,颗粒开裂,体积膨胀,石墨层包覆金属氧化物电极材料,与市场上的纳米氧化钴粉末性能的比较,优点：循环性能好，几乎无体积效应缺点：储锂电位高，与正极材料匹配后工作电压为2V,动力锂离子电池宝马、奔驰、奥迪、本田、比亚迪、奇瑞已有相关车型,混合动力车,纯电动汽车,纳米材料用于超级电容器,什么是超级电容器,超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件，介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源。,超级电容技术原理,超级电容器也属于双电层电容器，容量大，利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离，两块极板之间为真空（相对介电常数为1）或一层介电物质（相对介电常数为）所隔离，电容值为：C=A/3.6d10-6(F)其中A为极板面积，d为介质厚度所储存的能量为：E=1/2C（V）2,超级电容器与传统电容器的不同,电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的，储存电荷的面积越大，电荷被隔离的距离越小，电容越大。传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的，只有将一很长材料缠绕起来才能获得大的面积，从而获得大的电容。另外传统电容是用塑料薄膜、纸张或陶瓷等将电荷板隔开。这类绝缘材料的厚度不可能做得非常簿。超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，这种材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米。而超级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的，其值小于10埃。巨大的表面积加上电荷之间非常小的距离，使得超级电容有很大的电容。一个超级电容单元的电容值，可以从一法拉至几千法拉。,体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大3040倍充电速度快，10秒内达到额定容量的95%充放电能力强失效开路，过电压不击穿，安全可靠超长寿命，可长达40万小时以