《新能源材料技术》PPT课件

1、新能源材料技术、线程理论、新能源和新能源材料的作用新能源材料的任务和挑战部分新能源材料的主要进展、1新能源和新能源材料、新能源的出现和开发，一方面是能源技术本身的发展结果，另一方面是这些能源能够解决资源和环境问题，因此得到支持和推进。太阳能、生物量、核能(新型反应堆)、风能、地热、海洋能源等第一能源和第二能源中的氢能等被认为是新能源。其中氢、太阳能、核能是2l世纪可广泛应用的能源。新能源的发展需要利用新的原理(如核聚变反应、光电效应等)发展新的能源系统，同时依靠新材料的开发和应用才能实现新的系统，进一步提高效率，降低成本。2材料的作用，(1)新材料将原来使用的能源转化为新能源。例如，自古以来，

2、人类就使用太阳能加热、干燥等，现在可以利用半导体材料将太阳直接有效地转换为电力。此外，过去人类利用氢燃烧获得了高温，现在依靠燃料电池的催化剂和电解质，通过氢和氧的反应直接产生电，预计应用于电动车。(2)部分新材料可以提高能源储存和能源转换效果。如果储氢合金能改善氢气的储存条件，将化学能转变为电能，金属氢化物镍电池、锂离子电池等都是由电极材料的储能效果和能量转换功能发展起来的新型二次电池。(3)新材料决定新能源的性能和安全性。新型反应堆需要新型腐蚀性，耐辐照材料。这些材料的组成和可靠性对核反应堆的安全运行和环境污染具有决定性的作用。(4)材料的组成、结构、制作和加工工艺决定新能源的投资和运营成本

3、。例如，用于太阳能电池的材料决定光电转换效率，燃料电池和蓄电池的电极材料和电解质的质量决定电池的性能和寿命，这些材料的制造工艺和设备决定能源成本。因此，这些因素是决定这种新能源能否大规模应用的关键。3为了发挥新能源材料的任务及课题、材料的作用，新能源材料面临着艰巨的任务。作为材料科学和工程的重要组成部分，新能源材料的主要研究内容也是材料的构成和结构、制备和加工工艺、材料的性质、材料的使用效率以及这四者的关系。结合新能源材料的特性，新能源材料的研发重点如下。1)为了提高能源利用效率和转换效率，研究新材料、新结构、新效果。例如，为了提高燃料电池的转换效率，研究其他电解质和催化剂，研究异质结、杨紫井

4、等各种半导体材料和各种结构(包括异质结、杨紫井)，提高大洋电池的效率。2)资源的合理利用新能源的大量应用必须包括新材料所需原料的资源问题。例如，如果太阳能电池能部分替代现有的发展，所需的半导体材料将超过一百万吨，不适合某些元素，如镓、铟等。因此，一方面最大限度地利用硅等高丰度元素。另一方面，实现薄膜化，减少材料的使用量。另一个例子，燃料电池要以钚作为催化剂，其替代或节约是大量应用中必须解决的课题。随着新能源的一定规模发展，还必须考虑废料中有价值元素的回收工艺和回收利用。3)安全和环境保护是新能源能否大规模应用的关键。例如，锂电池性能好，但锂二次电池在应用中发生短路引起的烧伤事件，金属锂的性质活

5、泼，容易着火，影响应用。为此，研究了以碳体等为阴极载体的锂离子电池，从而避免了这种问题，成为目前增长最快的第二次电池。其他新能源材料在生产过程中也会产生三种废物，对环境造成污染。(莎士比亚，哈姆雷特，能源名言)此外，服务期满后的废物(如核废料)会对环境造成污染。这些都是新能源材料科学和工程必须解决的问题。4)材料规模生产的制作和加工工艺在新能源的研究开发阶段，材料构成和结构的优化是研究的重点，材料的制作和加工经常使用现成的工艺和设备。到了工程化阶段，材料的制作、加工工艺和设备成为重要因素。在很多情况下，为了满足材料产业化的要求，必须开发新能源材料的专用工艺和设备。这些情况包括：大吞吐量；成品比

6、例高；高劳动生产率材料和零部件质量参数的一致性、可靠性；环境保护和劳动保护低成本。5)延长材料寿命的现代发电技术、内燃机技术是许多科学家和工程师几十年来的研究和开发成果。用新能源及其设备替代这些技术的最大问题是成本是否有竞争力。从材料的角度来看，要降低成本，一方面要在上述各项研究开发的要点方面努力。另一方面要延长材料的寿命。这方面的潜力很大。这应该从解决材料性能下降的原则开始，采取适当的措施，包括合理配置材料或选择结构、修改材料的表面等。为了提高燃料电池催化剂的使用寿命，选择合理的使用条件，例如降低燃料中有害杂质的含量，就是一个明显的例子。是的，四种新能源材料的主要发展，4.1锂离子二次电池材

7、料锂离子电池的发展方向是用于电动车辆开发的大容量电池。提高小型电池的性能。加快聚合物电池的开发，实现电池的瘦身。这些与所用材料的发展密切相关，尤其与正负极材料、阴极材料、电解质材料的发展有关。4.1.1碳负极材料，首先使用金属锂作为阴极，但该电池在使用过程中突然短路，用户烧伤，被迫停止生产并回收销售的电池。这是因为金属锂在充电放电中形成了枝状沉积。目前实用的电池用碳负极材料填充锂离子嵌入和去嵌入，防止了这种不安全的问题。通过在电池中徐璐积累其他碳物质的行为研究，优化了碳负极材料。4.1.2阴极材料，目前使用的阴极材料为LiCoO2。对该化合物的晶体结构、化学组成、粉末粒度、粒度分布等因素对电池

8、性能的影响进行了深入研究。为了降低成本和提高电池的性能，还研究了替代金属钴的金属。目前研究了很多LiMn2O4和LiFePO4，还研究了双离子转移型聚合物正极材料。4.1.3电解质材料，研究集中在非溶剂电解质上，可获得高电池电压。重点是曹征电解质溶液在稳定正负材料上的组成，优化电池的综合性能。还开发了向电解质中添加SO2、CO2等的方法，提高了碳材料的初始充放电效率。三元或多元混合溶剂的电解质可以提高锂离子电池的低温性能。4.2太阳能电池材料，太阳能是人类最重要的可再生能源。但是，这种巨大的能量分布在整个地球表面，每单位面积的能量强度不高，因此限制太阳能电池发展的因素是面积接受问题。能量随时间

9、分布的不平衡；电池材料资源问题；费用问题。综合这些因素，太阳能电池材料的发展主要围绕提高转换效率、降低材料成本等问题进行研究。主要有以下进展：1)开发新工艺，提高转换效率，材料工艺包括材料净化工艺、晶体生长工艺、芯片表面处理工艺、薄膜制备工艺、异质结生长工艺、杨紫井制备工艺等。通过以上研究进展，不断提高太阳能电池的转换效率。单晶硅电池转换效率已达到23.7%，多晶硅电池达到18.6%。2)开发薄膜电池，节约材料消耗，目前大量使用晶体硅电池。这种材料属于间接禁止结构，需要更大的厚度才能充分吸收太阳能。非砷电池、溴化电池、非晶硅电池等薄膜电池只需要1m2m的活动层厚度。多晶硅薄膜电池的有源层厚度又

10、下降到50m，同时使用了衬层剥离技术，允许多次使用衬层。3)材料的大规模加工技术提高太阳能电池成本竞争力的方法之一是扩大生产规模。其中，材料准备和加工技术是关键因素。为此，研究和开发大生产工艺和设备。现在生产的太阳能电池的70%到80%是晶体硅太阳能电池，以半导体元件生产用晶体的头、尾及等外物为原料。4)结合建筑物解决太阳能电池所占面积问题的方向之一是与建筑物相结合。除了建筑物的屋顶外，还可以安装太阳能电池板。在建筑材料上制造太阳能电池是值得注意的。4.3燃料电池材料，研发燃料电池的目的是制造汽车、宇宙飞船、潜艇的动力源或组成区域电力。目前为这些不同用途开发的燃料电池包括碱性氢氧电池(AFC)

11、、磷酸型燃料电池(PAFC)、质子交换膜型燃料电池(PEMFC)、溶解碳酸盐型燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。燃料电池材料的发展主要以提高燃料发电的效率、延长电池寿命、降低发电成本为中心。4.4核材料，核反应堆可分为裂变反应堆和核聚变反应堆两大类。裂变反应堆已经大量使用，对其材料的研究除了优化产品堆的性能外，主要是为了满足新型反应堆的需求。聚变堆与实际应用还有相当大的距离。目前，核材料的研究和开发重点在以下几个方面。1)外壳包装材料外壳材料的主要功能是从裂变堆中分离燃料和冷却剂。它的技术要求是具备低中子吸收截面，良好的耐辐射性，与燃料的兼容性，满意的耐蚀性，足够的力学性能。使用了铝合金、锆合金、镁合金、不锈钢等。研究的重点是快中子增殖堆。2)核燃料在原子核组成方面必须满足核反应的要求，另一方面必须具备密封反应堆要求的具体形状。高温气冷堆的温度很高，必须使用涂层颗粒。也就是说，氧化物核燃料球团的表面有热分解碳或碳化物罩。3)核聚变炉的第一壁材料是核聚变炉的技术要求最苛刻的材料。第一壁是扭矩标记型聚变堆包容等离子和真空区的零件。它必须经受14MeV中子和其他高能带电粒子的轰击，其辐射效应比裂变反应堆强得多。4)核废物