世界上新能源材料发展状况

能源及新能源材料刘胜明博士西华大学材料科学与工程学院

一能源的概述什么是能源？能源是指一切能量集中的含能体(如煤炭石油)和能量过程(如风和潮汐)，能到达地球表面的，都叫做地球上的能源。能源是社会经济建设和提高人民生活水平的重要物质基础之一。能源的分类一级能源第一类能源（来自地球以外）太阳辐射能煤，石油，油页岩，天然气，草木燃料，沼气和其它由于光和作用而固定下来的太阳能。宇宙射线，流星和其它星际物质带进地球大气的能量第二类能源（来自地球内部）地球热能地震，火山活动地下热水和地热蒸气（包括温泉和沸泉）热岩层原子能铀，钍，硼，氘第三类能源（来自地球和其它天体的相互作用）潮汐能二级能源电能，氢能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火药等能源按被利用的程度分：常规能源，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；新能源，如太阳能、氢能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。按能否再生分可再生能源，即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如水能、风能、潮汐能、太阳能等；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。按对环境的污染分清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。能源发展经历的几个阶段

时间时期从火的发现到18世纪产业革命柴草时期18世纪中叶煤炭时期——蒸汽机20世纪初石油时期化石能源的枯竭新能源时期

二传统的能源煤、石油和天然气等是世界上最重要的三种化石燃料。

为什么我们把煤、石油、天然气称为化石燃料呢？“化石”二字意味着什么？煤、石油、天然气能被称为化石燃料是因为它们的形成经历了一个漫长的过程，这个过程经历了上亿年。认识化石燃料

化石能源是指上古时期遗留下来的动植物的遗骸在地层下经过上万年的演变形成的能源。如煤(植物化石转化),石油(动物体转化),天然气等。

化石能源是一种碳氢化合物或其衍生物。它由古代生物的化石沉积而来，是一次能源。化石燃料不完全燃烧后，都会散发出有毒的气体，却是人类必不可少的燃料。化石能源所包含的天然资源有煤炭、石油和天然气。

1994年世界化石燃料探明可采储量中东战乱中东的巨大石油蕴藏量令该地区成为世界焦点，各主要石油消耗国家均希望可以影响以至控制该地区，于是经常有冲突和战争。最近一次大规模的战事，相信发生在2003年3月，英美联军攻打伊拉克，给予军队的其中一些指令，是尽快控制油田及产油设施，并使破坏减至最低程度。另一次战争是1990年1月的海湾（波斯湾）战争以美国为首的联合部队攻击伊拉克，驱赶伊军离开科威特。

我国的能源结构以煤为主能源是人类社会生存和发展的重要物质基础,是现代文明的三大支柱之一。目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。

煤炭开采海上石油开采平台严重的生态破坏16生态环境严重破坏：1952年12月，伦敦烟雾；酸雨；河流干涸；巨大的能源危机：已开采800亿吨石油，按现在的开采速度，地球上已探明的1770亿吨石油储量仅够开采50年;已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年；已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400年;已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，仅够使用100年左右。世界各国水能开发也已近饱和，风能、太阳能尚无法满足人类庞大的需求。我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力涡轮机，成为世界最大的风能生产国。尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只占据中国电力消耗总量的1%。为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最充分利用技术和环境最小负担技术。新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源系统，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。

发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。

三新能源新能源太阳能风能海洋能氢能生物质能地热核能人类需要新能

源太阳能地球每年接受太阳的总能量为1.8×1018kWh，相当于全球能耗的1.2万倍，无污染，是永久性能源。但是，太阳辐射到地球的能量密度太低，只有1kW/cm2，还受气候影响。太阳能主要利用形式：1）热能直接利用：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；2）光伏效应：太阳能电池。太阳能的利用真空管集热太阳能热水器；“温室效应”太阳能电池太阳能汽车风能太阳能在地面上约2％转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW，很有发展前景。风能与风速密切相关，但风车材料是关键。－个2.5MW的风车，转子叶片直径要80ｍ，包括传动箱的总重达30t；风车高近百米，用材几百吨。风车叶片耍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。海洋能潮汐的发生是地球受月球和太阳引力的影响而引起的涨潮时海水向岸边冲去，落潮时又退回海中，每天有规律地往复运动。受海岸、港湾地形的影响，海面的高度在高潮和低潮时有很大差别。可以用来推动机械装置，又可以用来发电。世界最大的潮汐电站朗斯潮汐电站位于法国大西洋滨海圣马洛市附近，装机容量240兆瓦，年发电量5.44亿千瓦时，是当今世界最大潮汐电站。工程于1961年1月开工，1966年8月第一台机组发电，1967年12月竣工。LaRanceTidalPowerStation

中国最大的潮汐电站江厦潮汐电站是中国目前利用潮汐能发电的最大试验电站。该站位于浙江省温岭县乐清湾北端的江厦港上。电站设计装机容量3900千瓦，年发电量约1000万千瓦时。1986年建成发电。江厦潮汐电站地热能据计算，地球陆地以下五公里内，150℃以上岩石和地下水总含热量相当于9950万亿吨标准煤。按世界年耗100亿吨标准煤计算，可满足人类几万年能源之需要.如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为标准来计算、那么，石油的贮存量约为煤炭的3％，目前可利用的核燃料的贮存量约为煤炭的15％，而地热能的总贮存量则为煤炭的1.7亿倍。地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的主要来源。目前能为人类开发利用的．主要是地热蒸汽和地热水两大类资源。目前地热资源勘探的深度可达地表以下5000m，其中2000m以下为经济型地热资源，2000-5000m为亚经济型地热资源。从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%。利用地热能，占地很少，无废渣、粉尘污染，用后的弃（尾）水既可综合利用，又可回注到地下储层，达到增加压力、保护储层、保护地热资源的双重目的。氢能氢是理想能源，热值高、无污染。存在的问题：1）氢的来源，只能通过电解水，太阳能分解水，生物制氢，以及化工、冶金等流程制氢，这就需要消耗能源；2）在存储、运输及应用过程中易爆，使材料产生氢脆、氢腐蚀，以及氢渗漏等。利用方式：1）直接燃烧；2）储氢：将材料与氢结合成为氢化物，需要时加热放氢，放完后还可继续充氢。氢能的利用美国加州州长施瓦辛格为新“悍马”加氢气氢能的利用宝马H2R液氢动力实验赛车生物能如人畜粪便、秸秆、杂草和不能食用的果蔬，等等废弃物，经过细菌发酵可以产生沼气(甲烷占55％～70％左右，二氧化碳占25％～40％左右，此外还有少量氢气、硫化氢、一氧化碳、氮和氨等

)，用沼气做燃料和照明，燃烧后生成二氧化碳和水，不污染空气，不危害人类健康，并可以大大减少垃圾的数量。

核能铀在自然界中有三种放射性同位素：U235、U238、U234，在衰变过程中放出热量。在军事上铀主要用来制造核武器和核动力燃料。用作核电站反应堆的燃料，发电成本低。

铀裂变时产生的同位素及其射线，在工农业生产和科学技术领域中有广泛的用途。例如，工业无损检测；农业培育良种，防止病虫害；医学上灭菌消毒，临床诊断及治疗等等。核聚变装置对材料要求十分苛刻，如耐中子辐射、耐高温和抗氢脆等

四新能源材料40新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需的关键材料，主要包括：储氢合金为代表的储氢材料锂离子电池为代表的二次电池材料质子交换膜电池为代表的燃料电池材料硅半导体为代表的太阳能电池材料铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料-------------主要特点新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源；新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量转换；新能源材料可以增加能源利用的新途径。内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站太阳能热水器储氢材料氢能是人类未来的理想能源。氢能热值高，如燃烧1kg氢可发热1.4×105kJ，相当于3kg汽油或4.5kg焦炭的发热量；资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到11.1％；干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染；应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气重量不到钢瓶重量的1/100，且有爆炸危险，很不方便。为解决氢的储存和运输问题，人们研发了相应的储氢材料，主要包括活性炭、无机化合物、有机化合物以及合金化合物四大类储氢材料。常用高压氢气瓶不同储氢方式的比较气态储氢：能量密度低不太安全液化储氢：能耗高对储罐绝热性能要求高固态储氢的优势：体积储氢容量高无需高压及隔热容器安全性好，无爆炸危险可得到高纯氢，提高氢的附加值活性炭储氢活性炭比表面积可达2000m2/g以上，低温加压可吸附储氢。活性炭原料易得，吸附储氢和放氢操作都比较简单。富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的吸附作用。单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高，H2的吸附量可达5％-10％(质量分数)，有望成为新一代储氢材料。富勒烯C60碳纳迷管47无机化合物储氢某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后在一定条件下分解可放氢。利用碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化，吸氢和放氢反应为：以活性炭作载体，在Pd或PdO的催化作用下，以KHCO3或NaHCO3作为储氢剂，储氢量约为2％(质量分数)。该法优点是原料易得、储存方便、安全性好，但储氢量比较小，催化剂价格较贵。释氢，70℃，0.1MPa吸氢，35℃，2.0MPa有机液体氢化物储氢借助储氢载体(如苯和甲苯等)与H2的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。该法储氢量大，环己烷和甲基环己烷的理论储氢量分别为7.19％和6.18％(质量分数)，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和运输都很安全方便。催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，储氢操作比较复杂。其中R=H、CH4H2，供用户使用H2，制氢工厂储存、运输储存、运输催化脱氢催化加氢合金化合物储氢在一定温度和氢气压力下能多次吸收、储存和释放氢气的合金被称为储氢合金。氢原子容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙，形成金属氢化物，如TiH2、ZrH1.9、PrH2.8、Ti1.4CoH、LaNi5H、MmNi4.5H6.6等。氢原子在合金化合物中的占位：(a)四面体；(b)八面体ab50储氢合金可储存比其体积大1000-1300倍的氢，而且合金中存储的氢表现为H与H+之间的中间特性，结合力较弱，当金属氢化物受热时又可释放氢气。储氢合金的储氢量比较储氢合金材料达到实用目的，必须满足下列要求：储氢量大，能量密度高；吸氢和放氢速度快；氢化物生成热小；分解压适中：容易活化；化学稳定性好；在储运中安全、无害；原料来源广、成本价廉。储氢合金材料主要有：稀土系列、镁镍系列、钛合金系列等。大多数金属氢化物储氢量在1％-4％(质量分数)、能量密度高，所需费用明显低于深冷液化储气和高压储氢，原料易得，安全可靠。储氢合金已成为各国都积极研发的一种很有前途的储氢方法。我国生产的稀土储氢合金稀土系储氢合金LaNi5是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰Philip实验室于1969年首先研制。LaNi5在室温下可与一定压力的氢气反应形成氢化物，如下式所示：LaNi5具有优良的储氢性能，块状LaNi5合金储氢量约1.4％(质量分数)，分解压适中平坦，活化容易，具有良好的动力学特性和抗杂质气体中毒性。

LaNi5成本高，大规模应用受限，因此发展置换La和Ni的多元合金：LaNi5-xMx(M＝Al、Mn、Cr、Fe、Co、Cu等)和R0.2La0.8Ni5(R＝Y、Gd、Nd、Th等)。用富Ce混合稀土(Mm)代替La可研制廉价的MmNi5储氢合金，在MmNi5基础上开发多元合金，如MmNi1-yBy(B=Al、Cu、Fe、Mn、Ga、Sn、Cr等)系列，不仅保持LaNi5的优良特性，而且在储氢量和动力学特性方面优于LaNi5，价格仅为纯La的1/5。钛系储氢合金TiFe具有优良储氢特性，吸氢量约1.75％(质量分数)，室温下释氢压力约为0.1MPa。价格较低，具有很大实用价值。TiFe活化困难，须在450℃和5MPa压力下进行活化；抗毒性弱(特别是O2)，反复吸释氢后性能下降。为改善TiFe合金储氢特性，可用过渡元素(M)置换部分铁形成TiFe1-yMy(M=Cr、Mn、Mo、Co、Ni等)。TiFe0.8Mn0.2可在室温3MPa氢压下活化，生成TiFe0.8Mn0.2H1.05氢化物，储氢量达到1.9wt％。镁系储氢合金在300-400℃和较高氢压下，Mg2Ni与氢生成Mg2NiH4，含氢量为3.65wt％，理论储氢量可达6%，但其稳定性强，释氢困难。用Ca和A1取代部分Mg形成Mg2-xMxNi，氢比物离解速度比Mg2Ni增大40％以上，活化容易，具有良好的储氢性能，性质稳定。利用过渡元素(M)置换Mg2Ni中的部分Ni，形成Mg2Ni1-xMx合金(M＝V、Cr、Mn、Fe、Zn等)，也可改善吸/释氢的速度，具有实用价值。储氢合金的应用氢储存是储氢合金最基本的应用。金属氢化物储氢密度高，采用Mg2Ni制成的储氢容器与高压(20MPa)钢瓶和深冷液化储氢装置相比，在储氢量相等的情况下，三者质量比为1：1.4：1.2，体积比为1：4：1.3；储氢合金储氢无需高压或低温设施，节省能源；氢以金属氢化物形式存在储氢合金中，安全可靠，便于氢的运输和传递。储氢合金储氢量与其他储氢方法储氢量的比较新型二次电池材料一次电池使用后常随普通垃圾一起被丢弃或掩埋，造成资源浪费，同时电池中的重金属元素泄露也会污染地下水和土壤。二次电池或蓄电池：放电时通过化学反应产生电能，充电时则使体系回复到原来状态，将电能以化学能形式重新储存起来。镍氢充电电池Li离子充电电池传统二次电池如铅酸电池和镉镍电池理论比能量低，且铅和镉都是有毒金属，对环境污染极大。目前应用较广的是镍氢电池(表示为Ni/MH电池)和锂离子电池(表示为LIB电池)，不但性能优良，而且污染较小，被称为绿色电池。铅酸蓄电池NiCd充电电池Ni/MH镍氢二次电池Ni/MH电池的正极材料采用Ni(OH)2，负极材料为储氢合金，电解质为KOH水溶液。与Ni/Cd电池相比，Ni/MH电池具有以下优点：能量密度是Ni/Cd电池的1.5-2倍；充放电速率高；耐过充和过放性能好；使用寿命长；低温性能好；无Cd元素对环境的污染。

Ni/MH二次电池Ni/MH电池在充放电中产生如下电极反应，工作原理如图所示：正极：负极：电池反应：放充放充放充Ni/MH电池工作原理Ni/MH电池的正极材料是Ni(OH)2，电池负极材料主要是储氢合金，其种类如表所示。典型的Ni/MH负极材料及特征合金类型典型氢化物合金组成吸氢质量/%电化学容/(mAh/g)理论值实际值AB5LaNi5H6MmNi3.5-4(MnAl)0.3-0.8Co0.2-1.31.3348330AB2ZrMn2H3Zr1-xTixNia(MnV)b(CoFeCr)c1.8482420ABTiFeH2ZrNi1.4,TiNi2.0536350A2BMg2NiH4Mg2Ni3.6965500固溶体V0.8Ti0.2H0.8V4-x(NbTaTiCo)xNi0.53.81018500电解质需要有高的离子传导能力，目前使用的Ni/MH电池的电解质是KOH水溶液。KOH水溶液具有强腐蚀性，液体电解质给电池加制作带来不便。用高导电性能的固体或凝胶电解质替代KOH是Ni/MH电池的一个发展趋势。研究表明，采用高吸水和高亲水能力的聚合物凝胶作为电解质，电池的电化学性能与普通KOH电解质电池相近。LIB锂离子二次电池Li是最轻的金属元素，它的标准电极电位是-3.045V，是金属中负电位最大的元素，因此Li负极电池的开发受到极大重视，与Ni/MH电池性能的比较如下。普通Ni/MH，LIB及Ni/Cd电池性能比较技术参数Ni/CdNi/MHLIB工作电压/V1.21.23.7质量比能量/(Wh/kg)30-5050-70100-150体积比能量/(Wh/L)150200270冲放电寿命/次5005001000LIB电池具有工作电压高、比能量高、容量大、循环特性好、重量轻、体积小等优点，而且LIB无记忆效应，不需将电放尽后再充电；LIB自放电小，每月在10％以下，Ni/MH电池自放电一般为30％-40％。仅2000年，日本就销售了4亿多只Li电池。移动电话Li电池数码相机Li电池笔记本Li电池LIB电池是一种Li离子浓度差电池，充放电中，Li离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。充电时，Li离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入负极，使负极处于富Li离子态，正极处于贫Li态；放电时，Li离子从负极脱嵌进入正极。锂离子二次电池工作示意图LIB负极材料LIB负极材料的演变过程负极材料金属锂锂合金碳材料氧化物纳米合金容量/(mAh/g)34007903727002000年代19651971199019951998金属Li容量最高，但在LIB电池的长期充放电中，Li与有机电解质发生反应，发生枝晶生长，并形成树枝状沉积物，导致电池内部短路。LIB电池以炭材料替代Li负极、高电位的LiCoO2作正极的二次电池后，循环性能和安全性能得到大幅度提高，其电池反应为：正极：负极：电池：放充放充放充不同形状的Li离子电池太阳能电池材料太阳能在未来能源结构中占有重要地位地球上一年接受的太阳能总量为3.8×1018kW，远大于人类对能源的需求量；分布广泛，不需要开采和运输；不存在枯竭问题，可以长期利用；安全卫生，对环境无污染等。人造卫星上的太阳能电池通过光电转化将太阳辐射能转化为电能加以利用是太阳能利用中最活跃的研究领域。清华大学电力国家重点实验室太阳能电池开发综合利用系统西班牙塞维利亚太阳能发电站—欧洲最大的太阳能电站，可供18万户使用，每年减排60万吨CO2太阳能光电转化的核心装置是太阳电池。太阳电池的工作原理是光伏效应：太阳光的光量子与材料相互作用产生电子空穴对，在势垒区静电场作用下，空穴和电子越过势垒，电子进入n区，空穴进入p区，被分离的电子和空穴由电极收集并输出，形成光生电流，实现光电转换。光伏效应示意图太阳能电池全球最大规模的光伏太阳能发电项目—鄂尔多斯市政府与美国firstsolar公司共建2000兆瓦太阳能光伏发电厂世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中心等永久建筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过4.68兆瓦的太阳能电池，每年能减排二氧化碳4000吨。主题馆屋面太阳能板面积达3万多平方米，是目前世界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量280万度，每年减排二氧化碳2800吨，节约标准煤1000多吨。

世博中国馆世博主题馆2011年5月，世界首架无污染太阳能飞机进行跨国飞行(从瑞士飞抵布鲁塞尔需13小时)，飞行高度可达8700米，平均飞行速度为70-120公里