新能源材料的技术PPT学习教案

1、会计学12第1页/共77页3第2页/共77页4第3页/共77页5第4页/共77页6第5页/共77页7第6页/共77页8第7页/共77页9第8页/共77页10新能源n 生物质能n 风能n 地热与潮汐能n 太阳能n 低品位热能新技术u建筑照明节能u工业节能u煤的高效利用u燃料电池技术u储能技术尚无取代矿石能源的单一选择第9页/共77页11第10页/共77页12第11页/共77页13太阳能的利用形式主要有两种:一是热能的直接利用，如利用镜面或反射槽将太阳光聚焦在收集器上，由中间介质吸热产生蒸汽，推动气轮机组发电，美国单台容量己达80MW；另一种形式是利用小型太阳能装置为房屋采暖供热，现己大量应用。第

2、12页/共77页14研制高效、长寿、廉价的光伏转换材料已成为目前能源新材料领域的重要课题。当前非晶硅薄膜的最高转换效率为为12.7 ，理论上可达24，缺点是稳定性较差；多晶硅为17.7；单晶硅为28.7，G a As及G a I n P可高达2530。据报道，美研制出氮化镓铟高效太阳能电池可吸收50%以上能量。第13页/共77页15尽管太阳能利用成本较高，在某些日照时间长、居民分散度大的地区建立太阳能电站还是有意义的，因此发达国家都在积极开发太阳能，如美国“百万屋顶计划”，德国 “十万屋顶”计划及日本 “1600个屋顶” 太阳能电池系统等。我国西部地区日照好、居民分散，适合发展太阳能。第14页

3、/共77页1620世纪70年代美国有一个异想天开的计划，就是在同步人造卫星上装两个16km2的电池板和聚光系统，将所获电能用微波传到地面。由于在大气层外阳光强度比地面高1.4倍，又不受气候影响，据估计，由此得到的电能成本可与常规电能相比。但是，除了材料和技术问题以外，是否造成环境污染还需要论证。第15页/共77页17第16页/共77页18个2.5MW的风车，转子叶片直径要80，包括传动箱的总重达30t；风车高近百米，用材几百吨。风车叶片要有足够的强度和抗疲劳性能，目前主要采用玻璃钢或碳纤维增强塑料，正向增强木材发展。但风能发电装置造价较高。第17页/共77页19制备储存应用氢经济第18页/共7

4、7页20电解制氢太阳能制氢核能制氢生物质制氢化石原料制氢第19页/共77页21焦炉煤气制氢装置甲醇重整制氢装置第20页/共77页22水电解制氢装置第21页/共77页23第22页/共77页24第23页/共77页25第24页/共77页26氢储存高压氢液化氢固态氢第25页/共77页2770MPa复合材料高压储氢罐第26页/共77页28液氢储存罐结构第27页/共77页29储氢合金及其储氢过程和小型储氢容器第28页/共77页30Schlapbach & Zttel, Nature, 15 Nov. 2001第29页/共77页31电力工业交通运输便携式电子产品和电动工具领域军事领域航空航天领域第3

5、0页/共77页32航天飞机空天飞机第31页/共77页33德国U212级潜艇单兵数字化系统第32页/共77页34用于奥运会的燃料电池大巴世博会用燃料电池大巴奥运会、世博会用燃料电池汽车第33页/共77页35镍氢电池第34页/共77页36 小型燃料电池MP4笔记本电脑移动电话第35页/共77页372.2MW区域电源第36页/共77页38l公斤氢化锂可以释放出2800升的氢气，因此一个氢化锂丸释放出的氢气，足以使救生船、救生衣一类的救生器具充气膨胀，安全地漂浮在水面上。 这种氢化锂丸其实就是贮氢材料，但它的储氢过程复杂，且只能一次性使用，氢释放后，锂本身很活泼，会立即吸收大量空气，无法第二次吸氢，因

6、此后来很少应用。第37页/共77页39 1974年，日本大阪守口市松下电器公司中央研究所发生一起怪事：一个氢气瓶前一天晚上还储有10个大气压的氢气，到第二天早上，压力却降低到不足1个大气压。经仔细检查，氢瓶并没有漏气。查来查去，原来问题出在制造气瓶的材料上。气瓶制造厂知道钛锰合金强度高，耐压保险，就用它装氢气。谁料它有很强的吸氢能力，把瓶内的大部分氢气吸进瓶壁里去了。 真所谓“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫”。第38页/共77页40现在，全世界已研究出的储氢合金，除钛锰合金外，还有镁镍合金、镁铜合金、铝锰合金、锆铬合金和各种含稀土的储氢合全。每年都有100种以上的储氢合金申请专利。这些储氢合金

7、吸收的氢气可以为不同的机械或电器提供能源，例如为汽车、热泵、空调设备、无噪声的动力转换设备、燃料电池等。第39页/共77页41常用的二次电池的原理是通过充、放电过程实现的，即放电时通过化学反应可以产生电能，而施加反向电流时则可使体系回复到原来状态，即将电能以化学能形式重新储存起来的新型电池，它的充、放电反应是可逆的。新型的二次电池对环境的污染较小，可循环使用，性能优良，避免了一次电池的上述弊病。这些优势是导致二次电池迅速发展的主要原因推动力，相关背景还有：第40页/共77页42（3）全世界天然能源正在不断消耗，终将枯竭，寻求新能源的呼声愈来愈高。 （4）航天领域和现代化武器对高性能二次电池的需

8、求非常迫切，诸如：卫星上需求高功率、轻质量的储能电池；野战通信也要求高比热量、长寿命的小型二次电池等。高性能动力电池经过了铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的发展阶段第41页/共77页43新型二次电池的研究重点： 1）储氢材料及金属氢化物镍电池； 2) 锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池； 3) 聚合物电解质锂蓄电池或锂离子电池第42页/共77页4420世纪60年代末，储氢合金的发现。 储氢合金在吸放氢的过程中伴有电化学效应、热效应等。974年开始储氢合金作为二次电池的负极材料的研究。1984年解决了合金冲放电过程中容量衰减迅速的问题。1987年试生产。第43页/共77页45镍氢二次电池第44页/

9、共77页46第45页/共77页47正极材料球形Ni(OH)2 正极材料 Ni(OH)2是涂覆式NiMH电池正极使用的活性物质。 电极充电时Ni(OH)2转变成NiOOH，Ni2+被氧化成Ni3+ 放电时NiOOH逆变成Ni(OH)2， Ni3+还原成Ni2+ 。第46页/共77页48(c) 在热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定；(d) 反复充放电过程中合金不易粉化，制成的电极能保持形状的稳定；(e) 合金应有良好的电和热的传导性；(f) 原材料成本低廉。第47页/共77页49 与已广泛应用的NiCd电池相比，NiMH电池具有如下独特的优势：能量密度高。同尺寸的电池容量是NiCd电池的1

10、.52倍；无镉污染；可以大电流快速充放电；工作电压1.2V，与NiCd电池具有互换性。第48页/共77页50图5 圆柱形NiMH电池的结构示意第49页/共77页51图6 方形NiMH电池的结构示意 第50页/共77页52NiMH电池典型的充电曲线第51页/共77页53NiMH电池典型的放电特性第52页/共77页54Ni/MH电池倍率放电性能第53页/共77页55第54页/共77页56第55页/共77页57 高能电池的开发首先从寻找高比能量的电极材料开始。在所有金属元素中，锂的相对原子质量最小(6.941)、密度最小(0.534103Kgm-3)、电化当量最小(0.259gAh-1)、电极电位最

11、负(-3.045V vs. NHE)，因此，以金属锂为负极的电池具有最高的工作电压、最大的比能量 。第56页/共77页58材料技术突破第57页/共77页59铅酸电池铅酸电池镍氢电池镍氢电池锂离子电池（锂离子电池（LiFePO4）高能量型高能量型高功率型高功率型高能量型高能量型高功率型高功率型能量密度能量密度 (Wh/kg)35 4070 7555 60110 12090 100功率密度功率密度 (W/kg)150 200200 250900 1000500 6002000 3000工作电压（工作电压（V）1.61.23.2循环次数循环次数3005005001500 20001500 2000目

12、前锂离子电池与其它动力电池的性能比较p 锂离子电池的突出优点，非常适合作为的动力电池p 据研究分析，采用锂离子动力电池，能量有效利用率可达90%，远高于镍氢电池的50% 第58页/共77页60(1)锂离子电池的工作原理由上图左半部分可见，电池在充电时，锂离子从正极中脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极中；反之，电池放电时（图中右半部分所示），锂离子由负极中脱嵌，通过电解质和隔膜，重新嵌入到正极中。由于电池工作时锂离子在正负极之间摇来摇去，因此锂离子电池又被称为摇椅电池。锂离子在正、负极中有相对固定的空间和位置，因此电池充放电反应的可逆性很好，从而保证了电池的长循环寿命和工作的安全性。锂离子二次电

13、池第59页/共77页61（2）材料正极材料： 锂离子电池正极材料不仅作为电极材料参与电化学反应，而且是电池的锂离子源。现在已经用于锂离子电池生产的正极材料为LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4，目前应用的研究热点为廉价的LiFePO4，它们正在被广泛研究并已经在电池中试用。第60页/共77页62锂离子电池几种主要正极材料的电化学性能第61页/共77页63在20世纪60年代，负极材料主要是金属锂，它是比容量最高的负极材料。由于金属锂异常活泼，所以能与很多无机物和有机物反应。在锂电池中，锂电极与非水有机电解质反应，在表面生成一层钝化膜，使金属锂在电解质中稳定存在，这是锂电池得以商品化的基础。

14、第62页/共77页64为了解决这一问题，现在主要在三个方面展开研究：寻找替代金属锂的负极材料；采用聚合物电解质来避免金属锂与有机溶剂反应；改进有机电解液的配方，使金属锂在充放电循环中保持光滑均一的表面。前两个方面的研究已取得重大进展，但直接使用金属锂做负极仍处于研究状态。第63页/共77页65在众多的碳材料中，以石油焦为负极的CLi电池具有良好的可逆性的库仑容量，所以，以往研究大都集中在石油焦和石油焦纤维上。近年来发现，有机物裂解碳具有较好的可逆性和容量，它给寻找锂离子电池用碳材料开辟了新的研究方向。第64页/共77页66采用有机溶剂电解质后，由于使用强还原性活泼金属及其化合物作为负极材料，电池的工作电压得以大幅度提高。但有机溶液的电导率通常较水溶液低得多，有机电解液电池的输出功率比较低。使用熔融无机盐作为电解质，具有高电导率和高电压的优点，但仅能在高温下工作。第65页/共77页67第66页/共77页68BMS设计Pack制造材料应用电芯设计电池制造基于系统设计系统验证隔膜等重要材料正负极材料优化电解液低内阻一致性新结构新工艺可靠性保护能量管理轻量化/散热系统优化电池回收再利用均衡模块设计动力电池技术第67页/共77页69p 磷原子占据PO4四面体的4c位p 铁原子和锂原子分别占据FeO6八面体的4c和4a位 结构稳定，