新能源新材料专题1.ppt

1、新能源新材料新能源新材料新能源与新能源材料的任务及新能源与新能源材料的任务及主要进展主要进展新能源与新能源材料的任务及新能源与新能源材料的任务及主要进展主要进展n人类社会发展对能源的需求和面临的人类社会发展对能源的需求和面临的挑战挑战n新能源与新能源材料新能源与新能源材料n一些新能源材料的主要进展一些新能源材料的主要进展几个基本概念几个基本概念n能源：能源：产生机械能、热能、光能、电磁能、化学产生机械能、热能、光能、电磁能、化学能等各种能量的自然资源。能等各种能量的自然资源。按形成，按形成，可分为一次可分为一次能源和二次能源；能源和二次能源；按能否再生，按能否再生，可分为可再生能可分为可再生能

2、源和不可再生能源；源和不可再生能源；按使用情况，按使用情况，可分为常规能可分为常规能源和新能源。能源是人类赖以生存和发展工业、源和新能源。能源是人类赖以生存和发展工业、农业、国防、科学技术以及改善人民生活所必需农业、国防、科学技术以及改善人民生活所必需的燃料和动力来源。的燃料和动力来源。几个基本概念几个基本概念n一次能源：一次能源：亦称为亦称为“初级能源初级能源”、“天然能源天然能源”。自然界以天然形式存在的、未经加工或转换的能自然界以天然形式存在的、未经加工或转换的能源。源。可分为源于太阳的能量，可分为源于太阳的能量，如太阳能、风能、如太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能以及煤炭、石油、天然

3、水能、生物质能、海洋能以及煤炭、石油、天然气、油页岩等化石燃料；气、油页岩等化石燃料；地热能；地热能；核能；核能；潮汐能。潮汐能。按在自然界能否循环再生，可分为可再生能源和按在自然界能否循环再生，可分为可再生能源和不可再生能源。随着科学技术的发展，常对其加不可再生能源。随着科学技术的发展，常对其加工或转换使之成为二次能源，以适应工艺或环境工或转换使之成为二次能源，以适应工艺或环境保护的需要，以及便于使用、输送和提高劳动生保护的需要，以及便于使用、输送和提高劳动生产率等。产率等。几个基本概念几个基本概念n二次能源：二次能源：也称也称“次级能源次级能源”、“人工能源人工能源”。由一次能源经加工转换

4、而成的其他形式和种类由一次能源经加工转换而成的其他形式和种类的能源。包括焦碳、煤气、电力、蒸汽、氢能、的能源。包括焦碳、煤气、电力、蒸汽、氢能、酒精，以及汽油、煤油、柴油、重油等油制品。酒精，以及汽油、煤油、柴油、重油等油制品。与一次能源相比，提高了品位，并具有输送、与一次能源相比，提高了品位，并具有输送、使用较方便、清洁等优点。二次能源的利用程使用较方便、清洁等优点。二次能源的利用程度与一个国家的经济、科学技术、国防等因素度与一个国家的经济、科学技术、国防等因素有关。有关。几个基本概念几个基本概念n可再生能源：可再生能源：简称简称“再生能源再生能源”。自然界生态循。自然界生态循环中能不断再生

5、，并有规律地得到补充，不会枯环中能不断再生，并有规律地得到补充，不会枯竭的一次能源。包括太阳能、水能、风能、生物竭的一次能源。包括太阳能、水能、风能、生物质能、海洋能和地热能等。质能、海洋能和地热能等。n不可再生能源不可再生能源：又称又称“非再生能源非再生能源”。经人类开。经人类开发利用后，在相当长的时期内不可能再生的自然发利用后，在相当长的时期内不可能再生的自然能源。主要指各种矿物、化石燃料等需要经过漫能源。主要指各种矿物、化石燃料等需要经过漫长的地质年代才能形成的资源。对于不可再生能长的地质年代才能形成的资源。对于不可再生能源的开发利用，不能任意破坏和浪费源的开发利用，不能任意破坏和浪费。

6、一、人类社会发展对能源的需求和面临的挑战一、人类社会发展对能源的需求和面临的挑战n能源与人类社会的生存及可持续发展休戚相关。为了可持续发展，能源与人类社会的生存及可持续发展休戚相关。为了可持续发展，必须保护人类赖以生存的自然环境和自然资源，这是人类进入二必须保护人类赖以生存的自然环境和自然资源，这是人类进入二十一世纪后所面临的严重挑战。于是，十一世纪后所面临的严重挑战。于是，科学工作者提出了资源与科学工作者提出了资源与能源最充分利用技术能源最充分利用技术(Maximum Energy and Resources Utilization-MERU技术技术)和环境最小负荷技术和环境最小负荷技术(M

7、inimum Environmental Impact-MEI技术技术)。新能源与新能源材料是新能源与新能源材料是这两大技术的重要组成部分。这两大技术的重要组成部分。n发展新能源与新能源材料对我国尤其重要，是我国必须得到很好发展新能源与新能源材料对我国尤其重要，是我国必须得到很好解决的重大课题。人类社会的发展伴随着能源消耗量的增加。解决的重大课题。人类社会的发展伴随着能源消耗量的增加。表表0-1列出了世界一次能源消费的增长趋势。列出了世界一次能源消费的增长趋势。1-1 工业文明刺激能源需求持续增长工业文明刺激能源需求持续增长1-1 工业文明刺激能源需求持续增长工业文明刺激能源需求持续增长n从表

8、中可以看出，世界能源消费的增长率虽然波动较大，从表中可以看出，世界能源消费的增长率虽然波动较大，但是总趋势是保持正增长。这儿有三个主要原因：一是但是总趋势是保持正增长。这儿有三个主要原因：一是世界经济的高速增长，二是能源技术发展的刺激，三是世界经济的高速增长，二是能源技术发展的刺激，三是世界人口的增长。据联合国的有关统计资料，世界人口的增长。据联合国的有关统计资料，1990年年全球人口为全球人口为53亿，预计到亿，预计到2020年人口将增加到年人口将增加到81亿，亿，届时能源消费将增加一倍。届时能源消费将增加一倍。n另一方面，科技进步使单位另一方面，科技进步使单位GDP（国内生产总值）的（国内

9、生产总值）的能耗逐渐降低。这也是高技术产业得到重视的原因。能耗逐渐降低。这也是高技术产业得到重视的原因。图图0-1给出了主要发达国家单位给出了主要发达国家单位GDP能耗下降的情况。可能耗下降的情况。可以看出，在以看出，在16年间单位年间单位GDP能耗降低了能耗降低了2040%。我。我国的单位国的单位GDP能耗高出美国一倍以上。这表明我国技能耗高出美国一倍以上。这表明我国技术落后、产业结构层次低。术落后、产业结构层次低。1-2 能源结构的变化能源结构的变化 人类能源消费的另一个趋势是能人类能源消费的另一个趋势是能源结构的变化。这种变化一方面反源结构的变化。这种变化一方面反映出人类能源技术的进步，

10、另一方映出人类能源技术的进步，另一方面也反映出产业结构和社会生活的面也反映出产业结构和社会生活的变化。变化。表表0-2给出了世界能源消费给出了世界能源消费结构的变化。结构的变化。1-2 能源结构的变化能源结构的变化n从表中可以看出，自从表中可以看出，自70年代开始，原油已代替原煤在年代开始，原油已代替原煤在能源消费中占据首位，天然气的消耗比例也在增加。我能源消费中占据首位，天然气的消耗比例也在增加。我国的能源结构仍以原煤为主。国的能源结构仍以原煤为主。1996年的比例是：原煤年的比例是：原煤75%，原油，原油17.5%，天然气，天然气1.6%，水电，水电5.9%。n从能源的应用形态看，小型分立

11、的可移动电源的需求增从能源的应用形态看，小型分立的可移动电源的需求增长很快，这主要是信息技术发展的结果。特别是近些年长很快，这主要是信息技术发展的结果。特别是近些年来笔记本计算机、手提电话等移动通信、摄象机、声像来笔记本计算机、手提电话等移动通信、摄象机、声像设备以及一些军用电子设备等的发展，对电池的能量密设备以及一些军用电子设备等的发展，对电池的能量密度要求更高，并要求能反复使用。因此，促进了高容量度要求更高，并要求能反复使用。因此，促进了高容量二次电池的发展。二次电池成为新能源发展的重要方向二次电池的发展。二次电池成为新能源发展的重要方向之一。之一。1-3 矿物质能源面临枯竭的前景矿物质能

12、源面临枯竭的前景n矿物能源枯竭的必然性已取得共识，但矿物能源枯竭的必然性已取得共识，但何时出现枯竭，预测却不相同。表何时出现枯竭，预测却不相同。表03列出列出1992年世界能源大会提供的调查资年世界能源大会提供的调查资料。此表动态地预测了资源及需求的变料。此表动态地预测了资源及需求的变化。对化。对21世纪而言，原油和天然气资源世纪而言，原油和天然气资源与需求的形势是比较严峻的。与需求的形势是比较严峻的。1-4 矿物燃料燃烧造成的环境污染矿物燃料燃烧造成的环境污染n矿物燃料燃烧时要放出二氧化硫、一氧化碳、二矿物燃料燃烧时要放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、三四苯并芘、烟尘等。这些氧化碳

13、、氮氧化物、三四苯并芘、烟尘等。这些燃烧产物有的可破坏植被和土壤，如二氧化硫；燃烧产物有的可破坏植被和土壤，如二氧化硫；有的对人的健康有害，如烟尘、三四苯并芘、二有的对人的健康有害，如烟尘、三四苯并芘、二氧化硫等；有的对气候有影响，如二氧化碳、氮氧化硫等；有的对气候有影响，如二氧化碳、氮氧化物等。在燃烧产物中，大多数都可以靠燃料氧化物等。在燃烧产物中，大多数都可以靠燃料的前处理、烟气净化大幅度降低，但二氧化碳却的前处理、烟气净化大幅度降低，但二氧化碳却不能用这些办法降低。改变矿物燃料的种类，可不能用这些办法降低。改变矿物燃料的种类，可以适当改变以适当改变CO2释放量。为获得同等的热量，以煤释放

14、量。为获得同等的热量，以煤燃烧的燃烧的CO2释放量为释放量为“1”，则使用石油和天然气，则使用石油和天然气时的时的CO2释放量分别降至释放量分别降至0.82和和0.59。1-4 矿物燃料燃烧造成的环境污染矿物燃料燃烧造成的环境污染n在向大气释放的在向大气释放的CO2中，中，80%以上来自能源的生产。随着能源以上来自能源的生产。随着能源消耗的增长，消耗的增长，CO2释放量在增大，释放量在增大，如图如图02所示。不同地区的人所示。不同地区的人均均CO2释放量的状况如图释放量的状况如图03所所示。示。1-4 矿物燃料燃烧造成的环境污染矿物燃料燃烧造成的环境污染n从图中可以看出：从图中可以看出：（1）

15、CO2释放量呈愈来愈增大的趋势。据统计释放量呈愈来愈增大的趋势。据统计1990年已达年已达59亿吨碳，如不采取有效措施，到亿吨碳，如不采取有效措施，到2020年年将达将达84亿吨碳。亿吨碳。（2）发达国家的释放量占大部分。现在发达国家只占）发达国家的释放量占大部分。现在发达国家只占世界人口的世界人口的18%，却占总排放量的，却占总排放量的60%以上，在以上，在过去积累的排放量中，发达国家占过去积累的排放量中，发达国家占90%。（3）发展中国家的排放量增长速度从）发展中国家的排放量增长速度从70年代开始加年代开始加快，进入快，进入80年代以来增长速度已超过发达国家。年代以来增长速度已超过发达国家

16、。1-4 矿物燃料燃烧造成的环境污染矿物燃料燃烧造成的环境污染n上述排放量已使自然界上述排放量已使自然界CO2循环的平衡被打破。循环的平衡被打破。据联合国所属的据联合国所属的IPCC(Inter-governmental Panel on Climate Change，政府间气候变，政府间气候变化委员会）的数据，现在大气中的化委员会）的数据，现在大气中的CO2浓度已浓度已由由1000年前的年前的 28010-4%升至升至 320 10-4%。多数专家认为，大气中。多数专家认为，大气中CO2浓度的浓度的增加是地球气候变暖的重要原因，发展下去增加是地球气候变暖的重要原因，发展下去将对生态环境造成严

17、重的破坏，危及人类的将对生态环境造成严重的破坏，危及人类的生存。生存。1-4 矿物燃料燃烧造成的环境污染矿物燃料燃烧造成的环境污染n经过多次国际会议的讨论与准备工作，经过多次国际会议的讨论与准备工作，1997年在京都召开的联合国气候变化框架年在京都召开的联合国气候变化框架会议第三次参加国会议的议定书上，规定签会议第三次参加国会议的议定书上，规定签字国必须在字国必须在2008年年2012年严格将温室气年严格将温室气体的排放量降低到规定指标。这个任务非常体的排放量降低到规定指标。这个任务非常艰巨，要从节能、提高能源效率、设法吸收艰巨，要从节能、提高能源效率、设法吸收大气中的大气中的CO2和扩大使用

18、新能源来解决。和扩大使用新能源来解决。二、新能源与新能源材料二、新能源与新能源材料 新能源的出现与发展，一方面是能源技术本身发新能源的出现与发展，一方面是能源技术本身发展的结果，另一方面也是由于这些能源有可能解决上述展的结果，另一方面也是由于这些能源有可能解决上述的资源与环境问题而受到支持与推动。的资源与环境问题而受到支持与推动。太阳能、生物质太阳能、生物质能、核能（新型反应堆）、风能、地热、海洋能等一次能、核能（新型反应堆）、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能等被认为是新能源，其中氢能、能源和二次能源中的氢能等被认为是新能源，其中氢能、太阳能、核能是有希望在太阳能、核能是有希望在

19、21世纪得到广泛应用的能源。世纪得到广泛应用的能源。新能源的发展一方面靠利用新的原理（如聚变核反应、新能源的发展一方面靠利用新的原理（如聚变核反应、光伏效应等）来发展新的能源系统，光伏效应等）来发展新的能源系统，同时还必须靠新材同时还必须靠新材料的开发与应用，才能使新的系统得以实现，并进一步料的开发与应用，才能使新的系统得以实现，并进一步地提高效率、降低成本。地提高效率、降低成本。21 材料的作用材料的作用（1）新材料把原来习用已久的能源变成新能源。）新材料把原来习用已久的能源变成新能源。例如从古代起，人类就使用太阳能取暖、烘干等，例如从古代起，人类就使用太阳能取暖、烘干等，现在利用半导体材料

20、才把太阳能有效地直接转变现在利用半导体材料才把太阳能有效地直接转变为电能。再有，过去人类利用氢气燃烧来获得高为电能。再有，过去人类利用氢气燃烧来获得高温，现在靠燃料电池中的触媒、电解质，使氢与温，现在靠燃料电池中的触媒、电解质，使氢与氧反应而直接产生电能，并有望在电动汽车中得氧反应而直接产生电能，并有望在电动汽车中得到应用。到应用。21 材料的作用材料的作用（2）一些新材料可提高储能和能量转化效果。）一些新材料可提高储能和能量转化效果。如储氢合金可以改善氢的存储条件，并使化如储氢合金可以改善氢的存储条件，并使化学能转化为电能，金属氢化物镍电池、锂离学能转化为电能，金属氢化物镍电池、锂离子电池等

21、都是靠电极材料的储能效果和能量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。转化功能而发展起来的新型二次电池。21 材料的作用材料的作用（3）新材料决定着核反应堆的性能与安）新材料决定着核反应堆的性能与安全性。新型反应堆需要新型的耐腐蚀、全性。新型反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐照材料。这些材料的组成与可靠性耐辐照材料。这些材料的组成与可靠性对反应堆的安全运行和环境污染起决定对反应堆的安全运行和环境污染起决定性作用。性作用。21 材料的作用材料的作用（4）材料的组成、结构、制作与加工工艺决定）材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本。例如，太阳电着新能

22、源的投资与运行成本。例如，太阳电池所用的材料决定着光电转换效率，燃料电池所用的材料决定着光电转换效率，燃料电池及蓄电池的电极材料及电解质的质量决定池及蓄电池的电极材料及电解质的质量决定着电池的性能与寿命，而这些材料的制备工着电池的性能与寿命，而这些材料的制备工艺与设备又决定着能源的成本。因此，这些艺与设备又决定着能源的成本。因此，这些因素是决定该种新能源能否得到大规模应用因素是决定该种新能源能否得到大规模应用的关键。的关键。22 新能源材料的任务及面临的课题新能源材料的任务及面临的课题n为了发挥材料的作用，新能源材料面临着艰为了发挥材料的作用，新能源材料面临着艰巨的任务。作为材料科学与工程的重

23、要组成巨的任务。作为材料科学与工程的重要组成部分，新能源材料的主要研究内容同样也是部分，新能源材料的主要研究内容同样也是材料的组成与结构、制备与加工工艺、材料材料的组成与结构、制备与加工工艺、材料的性质、材料的使用效能以及它们四者的关的性质、材料的使用效能以及它们四者的关系。结合新能源材料的特点，新能源材料研系。结合新能源材料的特点，新能源材料研究开发的重点有以下几方面。究开发的重点有以下几方面。22 新能源材料的任务及面临的课题新能源材料的任务及面临的课题n1）研究新材料、新结构、新效应以提高能）研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率量的利用效率与转换效率。例如，研究不例如

24、，研究不同的电解质与催化剂以提高燃料电池的转同的电解质与催化剂以提高燃料电池的转换效率，研究不同的半导体材料及各种结换效率，研究不同的半导体材料及各种结构（包括异质结、量子阱）以提高太阳电构（包括异质结、量子阱）以提高太阳电池的效率、寿命与耐辐照性能等。池的效率、寿命与耐辐照性能等。22 新能源材料的任务及面临的课题新能源材料的任务及面临的课题2）资源的合理利用）资源的合理利用n 新能源的大量应用必然涉及到新材料所需原料的新能源的大量应用必然涉及到新材料所需原料的资源问题。例如，太阳电池若能部分地取代常规发资源问题。例如，太阳电池若能部分地取代常规发电，所需的半导体材料要在百万吨以上，对一些元

25、电，所需的半导体材料要在百万吨以上，对一些元素而言（如镓、铟等）是无法满足的。因此一方面素而言（如镓、铟等）是无法满足的。因此一方面尽量利用丰度高的元素，如硅等；另一方面实现薄尽量利用丰度高的元素，如硅等；另一方面实现薄膜化以减少材料的用量。又例如，燃料电池要使用膜化以减少材料的用量。又例如，燃料电池要使用铂作触媒，其取代或节约是大量应用中必须解决的铂作触媒，其取代或节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源发展到一定规模时，还必须考虑废课题。当新能源发展到一定规模时，还必须考虑废料中有价元素的回收工艺与循环使用。料中有价元素的回收工艺与循环使用。22 新能源材料的任务及面临的课题新能源材料的任

26、务及面临的课题 3）安全与环境保护）安全与环境保护 这是新能源能否大规模应用的关键。例如，锂这是新能源能否大规模应用的关键。例如，锂电池具有优良的性能，但由于锂二次电池在应用中电池具有优良的性能，但由于锂二次电池在应用中出现过因短路造成的烧伤事件，以及金属锂因性质出现过因短路造成的烧伤事件，以及金属锂因性质活泼而易于着火燃烧，因而影响了应用。为此，研活泼而易于着火燃烧，因而影响了应用。为此，研究出用碳素体等作负极载体的锂离子电池，使上述究出用碳素体等作负极载体的锂离子电池，使上述问题得以避免，现已成为发展速度最快的二次电池。问题得以避免，现已成为发展速度最快的二次电池。另外有些新能源材料在生产

27、过程中也会产生三废而另外有些新能源材料在生产过程中也会产生三废而对环境造成污染；还有服务期满后的废弃物，如核对环境造成污染；还有服务期满后的废弃物，如核能废弃物，会对环境造成污染。这些都是新能源材能废弃物，会对环境造成污染。这些都是新能源材料科学与工程必须解决的问题。料科学与工程必须解决的问题。22 新能源材料的任务及面临的课题新能源材料的任务及面临的课题 4）材料规模生产的制作与加工工艺）材料规模生产的制作与加工工艺 在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构的优化在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构的优化是研究的重点；是研究的重点；而材料的制作和加工常使用现成的工艺而材料的制作和加工常使用现

28、成的工艺与设备；与设备；到了工程化的阶段，材料的制作和加工工艺与到了工程化的阶段，材料的制作和加工工艺与设备就成为关键的因素。设备就成为关键的因素。在许多情况下，需要开发针对在许多情况下，需要开发针对新能源材料的专用工艺与设备以满足材料产业化的要求。新能源材料的专用工艺与设备以满足材料产业化的要求。这些情况包括：这些情况包括：大的处理量；大的处理量；高的成品率；高的成品率；高的高的劳动生产率；劳动生产率；材料及部件的质量参数的一致性、可靠材料及部件的质量参数的一致性、可靠性；性；环保及劳动防护；环保及劳动防护；低成本。低成本。22 新能源材料的任务及面临的课题新能源材料的任务及面临的课题例如：

29、在金属氢化物镍电池生产中开发多孔态镍例如：在金属氢化物镍电池生产中开发多孔态镍材的制作技术；开发锂离子电池的电极膜片制材的制作技术；开发锂离子电池的电极膜片制作技术等。在太阳电池方面，为了进一步降低作技术等。在太阳电池方面，为了进一步降低成本，美国能源部拨专款建立称之为成本，美国能源部拨专款建立称之为“光伏生光伏生产工艺产工艺”（Photovoltaic Manufacturing Technology）的项目，力求通过完善大规模）的项目，力求通过完善大规模生产工艺与设备使太阳电池发电成本能与常规生产工艺与设备使太阳电池发电成本能与常规发电相比拟。发电相比拟。22 新能源材料的任务及面临的课题

30、新能源材料的任务及面临的课题 5）延长材料的使用寿命）延长材料的使用寿命 现代的发电技术、内燃机技术是众多科学家与工现代的发电技术、内燃机技术是众多科学家与工程师在几十年到上百年间的研究开发成果。用新能源程师在几十年到上百年间的研究开发成果。用新能源及其装置对这些技术进行取代所遇到的最大问题是成及其装置对这些技术进行取代所遇到的最大问题是成本有无竞争性。从材料的角度考虑，要降低成本，一本有无竞争性。从材料的角度考虑，要降低成本，一方面要靠从上述各研究开发要点方面进行努力；另一方面要靠从上述各研究开发要点方面进行努力；另一方面还要靠延长材料的使用寿命。这方面的潜力是很方面还要靠延长材料的使用寿命

31、。这方面的潜力是很大的。大的。这要从解决材料性能退化的原理着手，采取相这要从解决材料性能退化的原理着手，采取相应措施，包括选择材料的合理组成或结构、材料的表应措施，包括选择材料的合理组成或结构、材料的表面改性等；并要选择合理的使用条件，如降低燃料中面改性等；并要选择合理的使用条件，如降低燃料中的有害杂质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一的有害杂质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一个明显的例子。个明显的例子。三、三、一些新能源材料的主要进展一些新能源材料的主要进展 新能源材料的种类繁多。因篇幅有限，新能源材料的种类繁多。因篇幅有限，本专题仅介绍几个有重大意义且发展前景看本专题仅介绍几个有重大

32、意义且发展前景看好的新能源材料，即好的新能源材料，即新型二次电池材料、新型二次电池材料、燃燃料电池材料、料电池材料、太阳电池材料太阳电池材料及核能材料。及核能材料。新新材料在这些新能源中的功能与取得的进展各材料在这些新能源中的功能与取得的进展各不相同，下面我们将进行一些具体的讨论。不相同，下面我们将进行一些具体的讨论。31 金属氢化物镍电池材料金属氢化物镍电池材料n氢能是最清洁的二次能源，储氢材料的发现氢能是最清洁的二次能源，储氢材料的发现（1970年年由由Van Vucht首先发现首先发现LaNi5合金具有良好的可逆储氢合金具有良好的可逆储氢性能）性能）、发展及应用促进了氢能的开发利用。利用

33、储氢、发展及应用促进了氢能的开发利用。利用储氢材料的可逆储氢性能及伴随的热效应和平衡压特征，可材料的可逆储氢性能及伴随的热效应和平衡压特征，可以进行化学能、热能和机械能等能量交换，具体可以用以进行化学能、热能和机械能等能量交换，具体可以用于氢的高效储运、电池的负极材料、高纯氢气的制备、于氢的高效储运、电池的负极材料、高纯氢气的制备、热泵、同位素的分离、氢压缩机和催化剂等，形成一类热泵、同位素的分离、氢压缩机和催化剂等，形成一类新型功能材料。其中，新型功能材料。其中，金属氢化物金属氢化物-镍电池（镍电池（MH-Ni）的商业化是储氢材料研究成果最有经济价值的突破，而的商业化是储氢材料研究成果最有经

34、济价值的突破，而MH-Ni电池的推广应用又促进了便携式电器和电动车电池的推广应用又促进了便携式电器和电动车辆的发展。辆的发展。31 金属氢化物镍电池材料金属氢化物镍电池材料 储氢合金作为储氢合金作为MH-Ni电池的负极材料应用是由于其电池的负极材料应用是由于其具有独特的储氢和点化学反应双重功能。储氢合金作为具有独特的储氢和点化学反应双重功能。储氢合金作为MH-Ni电池的负极材料的应用一般需要具备以下主要电池的负极材料的应用一般需要具备以下主要特征：特征：（1）合金的储氢容量较高，平台压力适中，对）合金的储氢容量较高，平台压力适中，对氢的阳极氧化具有良好的电催化性能；（氢的阳极氧化具有良好的电催

35、化性能；（2）在氢的阳）在氢的阳极氧化电位范围内，合金具有较强的抗氧化性能；（极氧化电位范围内，合金具有较强的抗氧化性能；（3）在反复充放电循环过程中，合金的抗粉化性能优良。在反复充放电循环过程中，合金的抗粉化性能优良。（4）在强碱性电解质溶液中，合金组份的化学性质稳）在强碱性电解质溶液中，合金组份的化学性质稳定；（定；（5）合金具有良好的电和热的传导性；（）合金具有良好的电和热的传导性；（6）合）合金的成本低廉。金的成本低廉。31 金属氢化物镍电池材料金属氢化物镍电池材料 金属氢化物镍（金属氢化物镍（NiMH）电池是一种以储）电池是一种以储氢合金作为负极材料的新型二次电池。因其能量氢合金作为

36、负极材料的新型二次电池。因其能量密度比密度比NiCd电池高约电池高约152倍，且无镉的倍，且无镉的污染，现已广泛用于移动通信、笔记本电脑等各污染，现已广泛用于移动通信、笔记本电脑等各种小型便携式电子设备，并正在开发商品化电动种小型便携式电子设备，并正在开发商品化电动汽车的动力源。汽车的动力源。Ni/MH电池的发展方向主要是进电池的发展方向主要是进一步提高电池的能量密度及功率密度，改善放电一步提高电池的能量密度及功率密度，改善放电特性以及提高电池的循环寿命等。特性以及提高电池的循环寿命等。这主要靠所用这主要靠所用材料取得的进步。材料取得的进步。31 金属氢化物镍电池材料金属氢化物镍电池材料 1）

37、正极材料的改善）正极材料的改善 NiMH电池的容量为正极所限制。进一步电池的容量为正极所限制。进一步改进球形改进球形Ni（OH）2正极材料的性质对于提高电正极材料的性质对于提高电池的综合性能有重要意义。对正极材料的研究与池的综合性能有重要意义。对正极材料的研究与开发着重在：开发着重在：通过材料制备技术的研究，进一步通过材料制备技术的研究，进一步控制控制Ni（OH）2的形状、化学组成、粒径分布、的形状、化学组成、粒径分布、结构缺陷及表面活性等，从而进一步提高正极的结构缺陷及表面活性等，从而进一步提高正极的放电容量及循环稳定性等性能。放电容量及循环稳定性等性能。31 金属氢化物镍电池材料金属氢化物

38、镍电池材料 2）AB5型储氢合金的改进型储氢合金的改进 研究开发中的储氢负极合金体系有研究开发中的储氢负极合金体系有AB5型混型混合稀土系合金、合稀土系合金、AB2型型Laves相合金、相合金、AB型钛镍型钛镍系合金、系合金、A2B型型MgNi系合金和钒基固溶体型系合金和钒基固溶体型合金等。合金等。其中，由于其中，由于AB5型混合稀土系合金具有型混合稀土系合金具有良好的性能价格比，现已成为国内外良好的性能价格比，现已成为国内外NiMH电电池生产中使用最为广泛的负极材料。池生产中使用最为广泛的负极材料。对对AB5型混型混合稀土系合金的进一步改进着重在合金的成分、合稀土系合金的进一步改进着重在合金

39、的成分、结构的优化及表面改性处理等方面，力求进一步结构的优化及表面改性处理等方面，力求进一步提高合金的综合性能。提高合金的综合性能。31 金属氢化物镍电池材料金属氢化物镍电池材料 在合金成分优化方面，包括对合金在合金成分优化方面，包括对合金A侧混合稀土的侧混合稀土的组成组成(La、Ce、Pr、Nd）的优化和对合金）的优化和对合金B侧的多元合侧的多元合金化（金化（Co、Mn、Al、Cu、Fe等）的替代研究。等）的替代研究。在对在对合金结构优化方面，已通过快速凝固、定向凝固及合金合金结构优化方面，已通过快速凝固、定向凝固及合金的热处理等制备技术的研究，使合金的成分均匀化，减的热处理等制备技术的研究

40、，使合金的成分均匀化，减少或消除了第二相的晶界偏析并使晶粒细化，从而使合少或消除了第二相的晶界偏析并使晶粒细化，从而使合金的循环稳定性得到明显改善。金的循环稳定性得到明显改善。此外，采用热碱浸渍等此外，采用热碱浸渍等方法对合金进行表面改性处理，还可使合金的高倍率放方法对合金进行表面改性处理，还可使合金的高倍率放电性能及循环稳定性进一步得到提高。电性能及循环稳定性进一步得到提高。31 金属氢化物镍电池材料金属氢化物镍电池材料3）新型高容量储氢电极合金的研究与开发）新型高容量储氢电极合金的研究与开发 由于由于AB5型混合稀土系储氢合金的本征储氢量较低型混合稀土系储氢合金的本征储氢量较低（理论容量约

41、（理论容量约372 mAhg），难以满足），难以满足 NiMH电池电池不断提高能量密度的需求，因此不断提高能量密度的需求，因此对各种新型高容量储氢对各种新型高容量储氢电极合金的研究与开发已受到人们广泛的关注。电极合金的研究与开发已受到人们广泛的关注。其中，其中，AB2型合金的放电容量可比型合金的放电容量可比AB5型合金提高约型合金提高约3040，已在美国，已在美国 OVONIC公司的公司的 NiMH电池中应用。电池中应用。但是但是 AB2型合金目前还存在型合金目前还存在初期活化困难以及高倍率初期活化困难以及高倍率放电性能不如放电性能不如 AB5型合金等问题，型合金等问题，有待进一步研究与改有待

42、进一步研究与改进。进。31 金属氢化物镍电池材料金属氢化物镍电池材料 研究开发中的新型高容量储氢合金还有非晶研究开发中的新型高容量储氢合金还有非晶态态Mg-Ni系合金（按系合金（按La1.8Ca0.2Mg14Ni3计算，理计算，理论容量近论容量近 1000 mAhg）和钒基固溶体型合金）和钒基固溶体型合金（按（按Ti22V66Ni12计算，理论容量约计算，理论容量约 800 mAhg）。）。就其研究水平而言，目前都还存在循环容就其研究水平而言，目前都还存在循环容量衰退速度较快、电极寿命短等问题，有待于进量衰退速度较快、电极寿命短等问题，有待于进一步提高。一步提高。合金成分与结构的优化、合金制备

43、技合金成分与结构的优化、合金制备技术及表面改性处理也是进一步提高新型储氢合金术及表面改性处理也是进一步提高新型储氢合金性能的主要研究方向。性能的主要研究方向。31 金属氢化物镍电池材料金属氢化物镍电池材料4）电池的再生利用）电池的再生利用 随着随着NiMH电池产业的迅猛发展，人们将电池产业的迅猛发展，人们将面临着如何处理大量经过使用后而失效的面临着如何处理大量经过使用后而失效的NiMH电池废弃物的问题。电池废弃物的问题。通过采用火法或湿法通过采用火法或湿法冶金的方法对废弃电池进行再生处理，不仅可冶金的方法对废弃电池进行再生处理，不仅可以减少或消除电池废弃物对环境的污染，同时以减少或消除电池废弃

44、物对环境的污染，同时还可使电池材料中的稀土元素、镍钴等有价金还可使电池材料中的稀土元素、镍钴等有价金属得到再生利用。这对于金属资源的有效利用属得到再生利用。这对于金属资源的有效利用及降低电池的生产成本均有重要意义。及降低电池的生产成本均有重要意义。32 锂离子二次电池材料锂离子二次电池材料 锂离子电池因有高的比容量而引起锂离子电池因有高的比容量而引起人们重视。据报道，到人们重视。据报道，到2000年，锂离年，锂离子电池在小型二次电池中已占首位。子电池在小型二次电池中已占首位。32 锂离子二次电池材料锂离子二次电池材料n为了更清楚、准确地理解为了更清楚、准确地理解锂离子二次电池的工锂离子二次电池

45、的工作原理，需要对其用到的下列基本概念有所了作原理，需要对其用到的下列基本概念有所了解。解。n电化学比容量：电化学比容量：单位质量或单位体积的电极活单位质量或单位体积的电极活性物质所能嵌入或脱嵌的与锂离子数目相应的性物质所能嵌入或脱嵌的与锂离子数目相应的电量；电量；n不可逆容量损失：不可逆容量损失：在充放电过程中，电极的充在充放电过程中，电极的充放电率低于放电率低于100%，即充电与放电的电化学容，即充电与放电的电化学容量不相等，损失的部分称为不可逆容量损失；量不相等，损失的部分称为不可逆容量损失；32 锂离子二次电池材料锂离子二次电池材料n充放电倍率：充放电倍率：充放电倍率可定义为充放电倍率

46、可定义为I=C/N,其中其中C为电为电池的标称电化学容量值，池的标称电化学容量值，N为放电小时数。一个容量为放电小时数。一个容量为为2Ah的电池以的电池以20小时放电称为小时放电称为0.1C。I值的大小反值的大小反映了电池充放电的快慢，主要与电池内部各种电极过映了电池充放电的快慢，主要与电池内部各种电极过程的速率有关；程的速率有关；n循环性：循环性：即电极材料在反复的充放电过程中保持其电即电极材料在反复的充放电过程中保持其电化学容量的能力。电池的循环性的好坏与电极材料的化学容量的能力。电池的循环性的好坏与电极材料的结构稳定性、化学稳定性、热稳定性有关；结构稳定性、化学稳定性、热稳定性有关；32

47、 锂离子二次电池材料锂离子二次电池材料n正负极：正负极：一般地讲，在一般地讲，在锂离子二次电锂离子二次电池体系中，定义放电时失去电子的电池体系中，定义放电时失去电子的电极为负极，也称为阳极；放电时得到极为负极，也称为阳极；放电时得到电子的电极为正极，也称为阴极。当电子的电极为正极，也称为阴极。当然，在某些国家，其阳极和阴极的定然，在某些国家，其阳极和阴极的定义与此正好相反。义与此正好相反。32 锂离子二次电池材料锂离子二次电池材料 锂离子电池的发展方向为：锂离子电池的发展方向为：发展电动汽发展电动汽车用大容量电池；车用大容量电池；提高小型电池的性能；提高小型电池的性能；加快聚合物电池的开发以实

48、现电池的薄型加快聚合物电池的开发以实现电池的薄型化。化。这些方向都与所用材料的发展密切相关，这些方向都与所用材料的发展密切相关，特别是与负极材料、正极材料和电解质材料特别是与负极材料、正极材料和电解质材料的发展相关。的发展相关。32 锂离子二次电池材料锂离子二次电池材料n据据Scientific American,2004年第年第1期报道，美期报道，美国阿尔贡国家实验室电池技术研发组已研制成功国阿尔贡国家实验室电池技术研发组已研制成功可用于混合能源汽车和医学设备的高性能锂基电可用于混合能源汽车和医学设备的高性能锂基电池。课题负责人池。课题负责人Khalil Amine生于摩洛哥，在生于摩洛哥，

49、在法国接受教育。法国接受教育。2002年，他领导一个阿尔贡材年，他领导一个阿尔贡材料科学家研究小组，在锂电池设计方面取得了令料科学家研究小组，在锂电池设计方面取得了令人瞩目的成就。为了制造适用于汽油人瞩目的成就。为了制造适用于汽油电力混合电力混合能源汽车的电池（要求很高的峰值动力），他们能源汽车的电池（要求很高的峰值动力），他们优化了锂优化了锂锰的化学组成，与基于钴和锂的替代锰的化学组成，与基于钴和锂的替代方案相比，锂方案相比，锂锰电池具有固有的安全性。锰电池具有固有的安全性。32 锂离子二次电池材料锂离子二次电池材料 而且，锰晶体预期更为耐用，降低了更换而且，锰晶体预期更为耐用，降低了更换车

50、用电池的费用。研究人员还改进了基于锂、车用电池的费用。研究人员还改进了基于锂、铁和磷酸盐的电池，以适用植入型的医学设备，铁和磷酸盐的电池，以适用植入型的医学设备，这里的难点是能量储存，而不是峰值能量。目这里的难点是能量储存，而不是峰值能量。目前的人体植入电池只能用前的人体植入电池只能用3年，而阿尔贡的新电年，而阿尔贡的新电池有望使用池有望使用10年。这一时间足以保证所谓年。这一时间足以保证所谓“微微刺激器刺激器”的可行性。的可行性。32 锂离子二次电池材料锂离子二次电池材料 1）碳负极材料）碳负极材料 早在早在1965年就开始使用金属锂作负极，并曾投入批年就开始使用金属锂作负极，并曾投入批量生