第七章新能源材料2.ppt

1、7.1 7.1 概述概述人类社会对能源的需求持续增长需求持续增长，能源需求结构结构也在发生变化变化，与此同时人类又面临着矿物能源环境污染和枯竭环境污染和枯竭的难题，这一切都激励着新能源的出现和发展。太阳能、氢能、核能、生物能、风能、地热、海洋能等被认为是新能新能源源，但它们必须依靠新材料必须依靠新材料的开发与应用才能得以实现实现，并进一步提高效提高效率、降低成本率、降低成本。新能源材料就是用于新能源生产、新能源材料就是用于新能源生产、转换和应用所需的材料。转换和应用所需的材料。7.1.1 新能源材料的特点新能源材料的特点1.新材料把原来已经使用的能源变成新能新材料把原来已经使用的能源变成新能源

2、。源。例如：半导体材料半导体材料把太阳能太阳能有效地直接转变为电能电能，有别于人们利用太阳的烘烤烘烤；燃料电池燃料电池能使氢与氧反应反应而直接产生电能电能，代替过去利用氢气燃料获得高温（热能）高温（热能）。2.一些新材料可提高储能和能量转化效果提高储能和能量转化效果。金属氢化物镍电池、锂离子电池等都是依靠电极材料的储能效果和能量转化功储能效果和能量转化功能能而发展起来的新型二次电池。3.新材料决定了核反应堆核反应堆等新能源的安全安全。4.材料工艺决定着新能源的成本成本。太阳照射到地面的能量相当于全球能耗的数万倍数万倍，既无污染无污染，又是永永久性能源久性能源。但太阳辐射到地球的能量能量密度太低

3、密度太低，还受时间、气候的影响时间、气候的影响。太阳能的利用形式主要有两种两种:一是热能的直接利用直接利用，如利用镜面或反镜面或反射槽射槽将太阳光聚焦在收集器收集器上，由中由中间介质吸热产生蒸汽间介质吸热产生蒸汽，推动气轮机组发电发电，美国单台容量己达80MW；另一种形式是利用小型太阳能装置小型太阳能装置为房屋采暖供热，现己大量应用大量应用。太阳能电池太阳能电池研制高效、长寿、廉价的光伏转换材高效、长寿、廉价的光伏转换材料料已成为目前能源新材料领域的重要课题重要课题。当前非晶硅薄膜非晶硅薄膜的最高转换效率为为12.7，理论上可达24，缺点是稳定性稳定性较差较差；多晶硅多晶硅为17.7；单晶硅单

4、晶硅为28.7，G a As及G a I n P可高达2530。据报道，美研制出氮化镓铟氮化镓铟高效太阳能电池可吸收50%以上能量。目前，太阳能电池组成本为 5美元美元/千瓦千瓦，估计要降到0.4美元美元左右才能在电价方面与常规发电（常规发电（6 11美分美分/千瓦）千瓦）有竞争力。太阳能电池中，材料费可达材料费可达60%80%。因此，发展厚度仅1 2m的非晶薄非晶薄膜膜（相对于50 m的多晶硅膜的多晶硅膜）对节约材节约材料料和费用费用具有显著的意义。近年来正在研制便于大规模大规模制造的燃料纳米半导体材料燃料纳米半导体材料及有机光伏转换薄膜有机光伏转换薄膜。尽管太阳能利用成本较高成本较高，在某

5、些日照时间长、居民分散度大的地区日照时间长、居民分散度大的地区建立太阳能电站还是有意义的，因此发达国家发达国家都在积极开发太阳能，如美美国国“百万屋顶计划百万屋顶计划”，德国，德国“十万屋十万屋顶顶”计划计划及日本日本“1600个屋顶个屋顶”太阳能电池系统等。我国西部西部地区日照好、居民分散，适合发展太阳能。1958年3月17日，美国美国首次在“先锋一号卫星”上用单晶硅单晶硅太阳能电池提供电源。但功率小得可怜功率小得可怜，只能供一个5毫瓦毫瓦的无线电辅助发射机的用电。以后，全世界数以数以千计千计的卫星上几乎都装太阳能电池，功率也逐步增加，有的高达几十到上百千瓦几十到上百千瓦。我国1990年9月

6、3日发射的气象卫星气象卫星上，也采用了半导体太阳能电池。20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同步人造卫星上装两个两个16km2的电池板和聚光系统，将所获电能电能用微波传到地面用微波传到地面。由于在大气层外大气层外阳光强度比地面高1.4倍倍，又不受气候影响不受气候影响，据估计，由此得到的电能成本可与常规电能成本可与常规电能相比相比。但是，除了材料和技术问题以外，是否造成环境污染环境污染还需要论证。近年来，国外还研制成了一种用炭黑炭黑来捕捉太阳能以驱动发电机发电驱动发电机发电的装置。它通过聚聚光器光器把太阳光集聚集聚起来，照照射在一个装有炭微炭微粒悬浮体的加热室内粒悬浮体的

7、加热室内。由于温度温度上升，使炭微粒气化气化。炭微粒吸收的热量热量可用来加热加热周围的空气空气，使其达到相当于喷气发动机的温度和压相当于喷气发动机的温度和压力力。于是，被加热的空气可用来驱动汽轮机转驱动汽轮机转动动，并带动发电机发电发电。据计算，这种热电站每小时每小时消耗炭黑约30公斤公斤，可产生供l万人万人的城镇所需要的电力。太阳能太阳能在地面上约2转变为风能风能，全球全球风力用于发电功率可达11.3万亿万亿kW，很有发展前景。风能与风速风速密切相关，我国沿海与西北沿海与西北地区的风力资源丰富，大有作为，但风车材料是关键风车材料是关键。个2.5MW的风车，转子叶片直径直径要80，包括传动箱的

8、总重达30t；风车高高近百米百米，用材几百吨几百吨。风车叶片要有足够的强度和抗疲劳性能强度和抗疲劳性能，目前主要采用玻璃钢玻璃钢或碳纤维增强塑料或碳纤维增强塑料，正向增强木材增强木材发展。但风能发电装置造价较高造价较高。美国不同能源发电的成本美国不同能源发电的成本氢气成本低且效率高氢气成本低且效率高，在能源日益显现不足和燃油汽车造成人类生存环境极大污染的今天，以氢燃料作为汽车燃料以氢燃料作为汽车燃料的呼声不断高涨。世界四大汽车公司，美国的通用通用和福特福特，日本的丰田丰田，德国的戴姆勒戴姆勒奔驰奔驰，都在加快研制加快研制氢燃料汽车氢燃料汽车的步伐。汽车要使用氢燃料作为动力，其关键技术环节有两个

9、两个，一是贮氢贮氢技术，二是燃燃料电池技术料电池技术。传统传统的贮氢方法有两种两种，一种是采用压缩贮氢压缩贮氢的方式，用高压钢瓶（氢气瓶）高压钢瓶（氢气瓶）来贮存氢气；钢瓶贮存氢气的容积很小容积很小，即使加压到l50个大气压，瓶里所装氢气的质量还不到氢气瓶质量的1%，而且还有爆爆炸炸的危险。另一种是采用液氢贮氢液氢贮氢的方式，将氢气降温到-253变为液体进行贮存；氢气液化的费用非常昂贵非常昂贵，它几乎相当于三分之一三分之一液氢的成本；而且，液氢的贮存容形异常庞大贮存容形异常庞大（占去汽车内的有限空间），需要极好的绝热装置极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化而避免浪费。以上诸多的原因

10、，使得以氢气作为汽车动力燃料的应用一直都遇到很大的困难很大的困难。储氢材料在发展发展上有一段有趣的历史。早在第二次世界大战第二次世界大战期间，美国的飞行员飞行员经常随身携带一种象药丸药丸但又不是药的东西，它一放进水水里就会冒出大量气体大量气体。原来这是飞行员的“保命丸保命丸”氢化锂氢化锂。当飞行员在海上失事海上失事或被击落坠海时，只要把它放进特制的盛有水的装置内，就会立即溶解立即溶解而释放出大量氢气大量氢气。l公斤公斤氢化锂可以释放出2800升升的氢气，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

11、储氢过程复杂，且只能一次性使用一次性使用，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，因此后来很少应用。在1960年，荷兰菲利浦菲利浦公司研制出吸吸氢能力最强氢能力最强的贮氢材料：镧镍系列镧镍系列吸氢合金，但成本很高成本很高，竞争不过汽油，这种合金仅仅作为一种战略储备战略储备。如德国的奔驰奔驰汽车公司制成了载有代替油箱的铁钛系铁钛系吸氢合金的氢发动机氢发动机，他们的打算是：一旦汽油紧张，就推出以氢为燃料的奔驰汽车。1974年，日本大阪大阪守口市松下松下电器公司中央研究所发生一起怪事：一个氢气瓶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

12、仔细检查，氢瓶并没有漏气并没有漏气。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，得来全不费踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫功夫”。在70年代年代，由于中东中东地区对西方对西方国家实行石油禁运石油禁运，发生了空前的能源危机能源危机。于是，贮氢材料的研究成了热门课题。而日本日本作为能源最短缺最短缺的发达国家，对此尤尤其重视其重视。这也成为日本是每年申请贮氢合金专利最多专利最多的国家的原因。现在，全世界已研究出的储氢合金，除钛锰钛锰合金外，还有镁镍镁镍合金、镁铜镁

13、铜合金、铝锰铝锰合金、锆铬锆铬合金和各种含稀土稀土的储氢合全。每年都有100种以上的储氢合金申请专利。这些储氢合金吸收的氢气可以为为不同的机械或电器提供能源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。7.5.1 简介简介 一次电池一次电池使用后，回收不及时或处理不当，常随普通垃圾一起被丢弃或被填埋，造成资源资源浪费浪费，同时电池中的重金属元素重金属元素的泄漏也污染污染了当地的水体和土壤。因此，开发二次新型电池是必要的。常用的二次电池的原理原理是通过充、放电过充、放电过程程实现的，即放电时通过化学反应可以产生电放电时通过化学反应可以产生电能，而施加反向

14、电流时则可使体系回复到原来能，而施加反向电流时则可使体系回复到原来状态状态，即将电能以化学能形式重新储存起来的新型电池，它的充、放电反应是可逆可逆的。新型的二次电池对环境的污染较小污染较小，可循环使用可循环使用，性能优良性能优良，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迅速发展的主要原因推动推动力力，相关背景相关背景还有：（1）信息技术的发展信息技术的发展，特别是移动移动通信及笔记本计算机等的迅速发展，迫切要求电池小型化、轻型化、长的服务时间、小型化、轻型化、长的服务时间、长的工作寿命和免维护技术长的工作寿命和免维护技术。（2）为了真正解决汽车尾气污染汽车尾气污染，发展零排放电

15、动车辆零排放电动车辆的呼声愈来愈高，极大地推动着高比热能量、长寿命二次电池高比热能量、长寿命二次电池技术的发展。（3）全世界天然能源能源正在不断消耗消耗，终将枯竭，寻求新能源寻求新能源的呼声愈来愈高。（4）航天航天领域和现代化武器武器对高性能二次电池的需求非常迫切，诸如：卫星卫星上需求高功率、轻质量的储能电池；野战通野战通信信也要求高比热量、长寿命的小型二次电池等。新型二次电池材料及原理新型二次电池材料及原理上面列出几种新型新型二次电池材料及原理，它们都是20世纪世纪90年代年代刚刚问世便取得迅猛发展的新型二次电池。由于他们少有或不含有毒物质少有或不含有毒物质，所以又被称为绿色电池绿色电池。下

16、面将简要介绍镍氢电池镍氢电池和锂离锂离子电池子电池。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7.5.2 7.5.2 镍氢二次电池镍氢二次电池 1984年实现了利用储氢合金材料作为负极储氢合金材料作为负极材料制造出首批首批NiMH电池。美国、日本美国、日本等国竞相研究开发储氢合金材料和NiMH电池。我国也建成了数家年产数百吨储氢合金材料和千数百吨储氢合金材料和千万只万只NiMH电池电池的大型企业。由于NiMH二次电池负极材料负极材料中要使用大量稀土稀土元素，而我我国国的稀土稀土资源十分丰富十分丰富，其储

17、量位于世界前列，为我国发展NiMH电池打下了良好的基础良好的基础。产生：产生：20世纪世纪60年代末，储氢合金的发现。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、热效应储氢合金在吸放氢的过程中伴有电化学效应、热效应等。等。1974年开始储氢合金作为二次电池的负极材料的年开始储氢合金作为二次电池的负极材料的研究。研究。1984年解决了合金冲放电过程中容量衰减迅速的年解决了合金冲放电过程中容量衰减迅速的问题。问题。1987年试生产。年试生产。镍氢二次电池镍氢二次电池（1 1）工作原理）工作原理 它利用氢的吸收和释放氢的吸收和释放的电化学可逆反应可逆反应，其正电极正电极采用Ni(

18、OH)2，负电极负电极采用贮氢合金贮氢合金。电解质电解质由水溶液水溶液组成，其主要成分为氢氧化钾氢氧化钾。电极发生下列反应（充电时向右）（充电时向右）：正极：Ni(OH)2+OH-NiOOH+H2O+e 负极：M+H2O+e MH+OH-电池反应：Ni(OH)2+M NiOOH+MH镍氢电池充放电示意图镍氢电池充放电示意图 （2 2）电极材料）电极材料正极材料：正极材料：NiMH电池的容量电池的容量为正极所限制。影响球形球形Ni(OH)2正极材料性能的主要因素有化学组成、粒径大小、粒径分布、结构缺化学组成、粒径大小、粒径分布、结构缺陷和表面活性陷和表面活性等，须进一步提高正极的放放电容量和循环

19、稳定性电容量和循环稳定性。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+。负极材料：负极材料：研究表明，用于NiMH电池负极材料的储氢合金储氢合金应满足下述条件：(a)电化学储氢容量高储氢容量高，在较宽的温度温度范围内不发生太大的变化；(b)在氢的阳极氧化电位范围内，储氢合金具有较强的抗阳极氧化抗阳极氧化能力；(c)在热碱热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定化学性质相对稳定；(d)反复反复充放电过程中合金不易粉化不易粉

20、化，制成的电极能保持形状的稳定形状的稳定；(e)合金应有良好的电和热的传导性良好的电和热的传导性；(f)原材料成本低廉成本低廉。目前研究的储氢合金负极材料主要有AB5型稀土镍系稀土镍系储氢合金、AB2型Laves合金、AB型Ti-Ni系合金，A2B型镁基镁基储氢合金以及V基固溶体基固溶体等几种类型。上述5种类型的储氢合金中，AB5被最早最早应用于电极材料，对其研究也最为广泛最为广泛；而AB2型、A2B型及固溶体因具有更高的容量更高的容量正受到更多的研究。与已广泛应用的NiCd电池电池相比，NiMH电池具有如下独特的优势优势：能量密度高能量密度高。同尺寸的电池容量是NiCd电池的1.52倍；无镉

21、污染无镉污染；可以大电流快速充放电大电流快速充放电；工作电压1.2V，与NiCd电池具有互互换性。换性。图5 圆柱形NiMH电池的结构示意图6 方形NiMH电池的结构示意 NiMH电池典型的充电曲线NiMH电池典型的温度曲线NiMH电池典型的放电特性 (a)能量密度高；(b)无镉污染，又被称为绿色电池；(c)可以大电流快速充放电；(d)NiMH电池的工作电压也是1.2V，与NiCd电池具有互换性等独特优势。因此它在小型便携式电子器件中获得了广泛应用，已经占有较大的市场份额。随着研究工作的深入和技术的发展，NiMH电池在电动工具、电动车辆和混合动力车上也正在逐步得到应用，形成新的发展动力。另外，

22、发展高功率和大容量电池始终是NiMH电池技术的研究热点。7.5.3 7.5.3 锂离子二次电池锂离子二次电池 锂离子电池是1991年由日本SONY公司开发完成的锂离子电池系统（LiCoO2C）后进入量量产产阶段的。这种新型蓄电池具有高的工作电压高的工作电压（平均工作电压为（平均工作电压为3.63.7V）和高的比能量高的比能量，优于常用的镍镉电池和镍氢电池镍镉电池和镍氢电池，还具有长循环长循环寿命、无记忆效应寿命、无记忆效应（如果电池的电量没有被完没有被完全放尽全放尽就充电充电导致的电池容量降低电池容量降低的现象）和和污染少污染少（锂离子电池的金属含量最低金属含量最低）等优点，因此成为目前商业开

23、发二次电池的主流主流。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 再加上锂高分子电池锂高分子电池的发明，使用高分子电解质不但没有漏液没有漏液的问题，而且由于锂离子电池具有优异的电性能及安全、优异的电性能及安全、无公害无公害，形状有高度的可塑性可塑性等特点，符合电子产品轻、薄、短、小轻、薄、短、小的要求，所以备受各国科学家及电池业的重视，发展极重视，发展极快

24、快。锂离子电池被人们称为“绿色环保能绿色环保能源源”和和“跨世纪的能源革命跨世纪的能源革命”。锂离子二次电池锂离子二次电池然而，锂离子电池目前还处于初级研初级研究阶段究阶段，无论在正极材料、负极材料还是电解质材料的研制方面都还不成熟。根据已有的研究成果。锂离于电池因其科技含科技含量高、用途广量高、用途广的许多优点，必然会占有较大的市场份额，发展前景十分看好发展前景十分看好，是手机、照相机、电子手表、计算器、各种具有储存功能的电子器件或装置的理想电源。锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理(1)(1)工作原理工作原理由上图左半部分左半部分可见，电池在充电时充电时，锂锂离子离子从正极中脱嵌正极中

25、脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入嵌入到负极中到负极中；反之，电池放电时放电时（图中右半部分所示），锂离子由负极中脱嵌由负极中脱嵌，通过电解质和隔膜，重新嵌入到正极中正极中。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摇椅电池。锂离子在正、负极中有相相对固定的空间和位置对固定的空间和位置，因此电池充放电反应的可逆性可逆性很好，从而保证了电池的长循环寿命和长循环寿命和工作的安全性工作的安全性。锂离子电池充放电反应充放电反应可表示为：正极反应 LiCoO2CoO2+Li+e负极反应 Li+e+C6LiC6 电池反应 LiCoO2+C6CoO2+LiC6（2 2）材料）材料正极

26、材料：正极材料：锂离子电池正极材料不仅作为电极材料电极材料参与电化学反应，而且是电池的锂离子源锂离子源。现在已经用于锂离子电池生产的正极材料为LiCoO2。比较廉价比较廉价的电极材料为LiNiO2和和LiMn2O4，它们正在被广泛研究广泛研究并已经在电池中试用试用。锂离子电池正极材料性能比较锂离子电池正极材料性能比较 负极材料：负极材料：在二次锂离子电池的发展中，其负极材料经历了由金属锂锂到锂合金锂合金、碳材料碳材料、氧化物氧化物、纳米合金纳米合金的演变过程：锂离子电池负极材料的演变锂离子电池负极材料的演变在20世纪世纪60年代年代，负极材料主要是金属锂锂，它是比容量最高比容量最高的负极材料。

27、由于金属锂异常活泼异常活泼，所以能与很多无机物和有机物反应反应。在锂电池锂电池中，锂电极与非水有机电解质非水有机电解质反应，在表面生成一层钝化膜钝化膜，使金属锂在电解质中稳定存稳定存在在，这是锂电池得以商品化商品化的基础。对于二次锂电池二次锂电池，在充电充电过程中，锂将重新回到负极，新沉积的锂表面没新沉积的锂表面没有钝化膜保护有钝化膜保护，非常活泼，部分锂将与电解质反应反应并被反应产物包裹包裹，与负极失去电接触失去电接触，形成弥散态的锂弥散态的锂。与此同时，充电时在负极表面会形成树枝状晶树枝状晶，造成电池短路电池短路，使电池局部温度升高温度升高，融化隔膜，软短路变成硬短路，电池被电池被毁，甚至

28、爆炸起火爆炸起火。为了解决这一问题，现在主要在三个方面三个方面展开研究：寻找替代替代金属锂的负极材料；采用聚合物电解质聚合物电解质来避免金属锂与有机有机溶剂反应溶剂反应；改进改进有机电解液的配方配方，使金属锂在充放电循环中保持光滑均一的表面光滑均一的表面。前两个前两个方面的研究已取得重大进展重大进展，但直接使用金属锂做负极仍处于研究状态。随着SONY公司公司用碳碳作为负极材料的锂离子电池的商业化，对碳负极材料的研究正蓬勃开展。用碳碳取代金属锂作负极，电池的安全性大大提高安全性大大提高；同时，在充放电的过程中不会形成枝不会形成枝晶晶，避免避免了电池内部短路短路，大大延长大大延长了电池的寿命寿命。

29、在众多的碳材料中，以石油焦为石油焦为负极的CLi电池具有良好的可逆性的良好的可逆性的库仑容量库仑容量，所以，以往研究大都集中在石油焦和石油焦纤维石油焦和石油焦纤维上。近年来发现，有机物裂解碳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新的研究方向。电解质材料：电解质材料：电解质的作用是在电池内部正负极之间形成良好的离子导电通道良好的离子导电通道。水溶液、有机溶液、水溶液、有机溶液、聚合物、熔盐或固体材料聚合物、熔盐或固体材料均可作为电解质材料。水水对许多离子具有很强的溶解能力很强的溶解能力。水溶液电解质具有离子状态稳定、粘度小、电导率离子状态稳定、粘度小、电

30、导率高高的优点，是目前应用最广泛应用最广泛的电解质。然而，受到水的分解电压分解电压的限制，水溶液电解质电池的最高电压只能在2.0V以内以内。采用有机溶剂有机溶剂电解质后，由于使用强还原性活泼金属活泼金属及其化合物作为负极材料，电池的工作电压工作电压得以大幅度提高大幅度提高。但有机溶液的电导率电导率通常较水溶液低低得多，有机电解液电池的输出功率比较低输出功率比较低。使用熔融无机盐熔融无机盐作为电解质，具有高高电导率和高电压电导率和高电压的优点，但仅能在高温高温下工作。聚合物或无机固体聚合物或无机固体作为电解质的主要优点是无漏液无漏液，电池的尺寸形状尺寸形状容易设计容易设计，电池的可靠性可靠性大为

31、提高。但到目前为止，能够满足实用实用电池要求的聚合物或无机固体电解质仍十分十分有限有限。燃料电池是一种把燃料燃料所具有的化学能化学能直接转换成电能电能的化学装置，又称电化学发电器电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种第四种发电技术。燃料电池不受卡诺循环效应的限制，效率高效率高；燃料电池用燃料和氧气作为原料，排放出的有害气体有害气体SOx、NOx极少极少；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染没有噪声污染。由此可见，从节约能源节约能源和保护生态环境保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。燃料电池燃料电池1839年年Grove利

32、用氢、氧反应生成水，同时有电流产生的原理发明了氢氢-氧燃料电池氧燃料电池，但由于原材料原材料等原因，研究进展十分缓慢十分缓慢。直到二十世纪六十年代二十世纪六十年代，美国阿波罗阿波罗宇宙飞船为实现登月计划需要一种不产生废料的大不产生废料的大功率、高能量密度的电源功率、高能量密度的电源，才使碱性燃料电池碱性燃料电池（AFC）在航空航天领域进入实用化实用化阶段，但其昂贵的成本昂贵的成本限制了其商业化商业化的可能性。半个世纪以来，美国、日本等国投入了大量人力、财力进行燃料电池的研究，相继开发了磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池（PAFC）、）、熔融碳酸盐型燃料电池熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）和固体氧化物

33、燃料电池和固体氧化物燃料电池（SOFC）。其中，磷酸型磷酸型燃料电池被称为第一第一代代燃料电池，它采用H3PO4液体作为电电解质解质，用由催化剂（催化剂（Pt或其合金）或其合金）和载载体（碳黑）体（碳黑）组成的多孔材料作电极多孔材料作电极。其装机容量可超过万千瓦万千瓦级规模，电流密度已到200mA/cm2以上，是目前开发研开发研究水平较高、商业化进程最快、最实用究水平较高、商业化进程最快、最实用化化的燃料电池。熔融碳酸盐型熔融碳酸盐型燃料电池是第二代第二代燃料电池，所用的电解质电解质主要为熔融的碱金属熔融的碱金属碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物，阳极阳极是以镍镍为主的多孔材

34、料多孔材料，阴极阴极为多孔掺锂氧化多孔掺锂氧化物物，运行温度较高运行温度较高，故不需要贵金属不需要贵金属作催化剂；发电效率高发电效率高，有希望发展成大规模大规模发电技术。固体氧化物固体氧化物燃料电池（SOFC）作为第三代第三代燃料电池，以固态氧化物固态氧化物作为电解质电解质，阳极阳极材料常用的是Ni/YSZ（Y2O3稳定稳定ZrO2）金属陶瓷金属陶瓷，阴极阴极材料为钙钛矿型复合氧化物氧化物。SOFC被认为是最有效率的和万能的最有效率的和万能的发电系统发电系统，特别是作为分散的电站分散的电站，可用于发电、热电联供、交通、空间宇航和其他许多领域，被称为称为21世纪的绿色能源世纪的绿色能源。自20世

35、纪世纪80年代年代以来，对SOFC的研究开发速度加快，但真正达到商业化商业化应用预计还需要相当长的一段时间相当长的一段时间。7.6.1 7.6.1 固体氧化物燃料电池的特点固体氧化物燃料电池的特点具有一般燃料电池高效高效与环境友好环境友好的优点；全固体全固体的电池结构，避免了因使用液态电解质所带来的腐蚀腐蚀和电解液流失电解液流失问题；在高温高温下工作，电极反应迅速反应迅速，无需采用贵金属电极贵金属电极，成本大大降低成本大大降低；排出的高温热气高温热气能充分利用，实现热电联热电联供供，能量综合利用效率可达70%以上；燃料燃料适用范围广，可采用H2、CO、CH4、NH3、H2S、碳氢化合物等。7.

36、6.2 7.6.2 工作原理工作原理SOFC中的固体氧化物作电解质固体氧化物作电解质在较高温较高温度度下具有传递传递O2-离子离子的能力，并起到分离空分离空气和燃料气和燃料的作用。在阴极（空气电极）阴极（空气电极）上，氧分子得到电子氧分子得到电子，被还原成氧离子氧离子，即 O2+4e 2O2-氧离子氧离子在电池两侧氧浓度差氧浓度差驱动力的作用下，通过电解质中的氧空位定向跃迁氧空位定向跃迁，迁移到阳极（燃料电极）阳极（燃料电极）上与燃料进行氧化反应与燃料进行氧化反应，即 2O2-+2H2-4e 2H2O 或者 4O2-+CH4-8e 2H2O+CO2 电池的总反应总反应是:2H2+O2 2H2O

37、 或者 CH4+2O2 2H2O+CO2固体氧化物燃料电池工作原理固体氧化物燃料电池工作原理7.6.3 7.6.3 材料材料阴极材料阴极材料 ：SOFC对阴极材料的要求要求是：多孔性多孔性，以允许反应气体较容易地扩散较容易地扩散到三相界面，并增大催化反应表面反应表面；强还原能力强还原能力以确保氧离子迁移数目；较高的电子电导率及离子电导率较高的电子电导率及离子电导率；与固体电解质固体电解质有高的化学和热相容性化学和热相容性。前期研究的最为广泛最为广泛的阴极材料是La1-xSrxMnO3（LSM），但由于电导率电导率和和Mn溶解溶解等问题，人们把目光转向新新型的型的A2Ru2O7-（A=Pb，Bi

38、，Ru为钌）为钌）陶瓷、陶瓷、Ag-YDB（Y2O3 doped Bi2O3）复合陶瓷、复合陶瓷、La1-xSrxCo1-yFeyO3(LSCF)陶瓷材料陶瓷材料。阳极材料：阳极材料：阳极材料的必须满足以下几个方面的要求要求：在还原还原气氛中稳定稳定；较高高的电子导电率导电率；在高温高温时与电解质材料电解质材料有良好的化学相容化学相容性和热膨胀的匹配性性和热膨胀的匹配性；催化性能良好及高透气性催化性能良好及高透气性，以促进电化学反应及使气体容易透过。目前广泛使用的SOFC阳极材料主要是NiYSZ（Y2O3稳定稳定ZrO2），但存在的主要问题主要问题便是烧结时多孔质薄烧结时多孔质薄膜的龟裂与剥离

39、膜的龟裂与剥离，从而影响成品质量。电解质材料：电解质材料：SOFC要求固体电解质材料除了具有高氧离子电导率和低电子迁移数高氧离子电导率和低电子迁移数外，尚需有在高温以及氧化、还原气氛中的稳定性稳定性，与电极材料的化学相容性化学相容性和热膨胀匹配性，热膨胀匹配性，足够的机械强度机械强度，稳定的形状、尺寸，适中的价格稳定的形状、尺寸，适中的价格等。YSZ是目前SOFC系统主要使用的电解质材料，但YSZ在长期使用过程中也存在不足之处：该陶瓷较脆较脆，极易由于组装及工作不同阶段引入电池的裂纹而发生破碎破碎，进而会引起燃料燃料和氧化剂的交叉渗漏和氧化剂的交叉渗漏，降低电池的性性能和效率能和效率。核能是廉

40、价廉价的清洁清洁能源，核电占世界电能的17，已建核电装置400余余座座。但是由于核电站的安全安全与废料处废料处理理问题，目前核电发展受到限制限制。对于裂变堆裂变堆材料而言，燃料燃料常常是UO2或或UN，慢化剂慢化剂（中子减速）采用水、水、重水、铍和石墨重水、铍和石墨等，控制材料控制材料（吸收中子）常用B4C、硼硅酸玻璃、铪硼硅酸玻璃、铪等，冷却剂冷却剂（传热）一般是水、重水、二氧化碳、氦水、重水、二氧化碳、氦，反射反射层（中子）采用铍、石墨铍、石墨等，屏蔽屏蔽材料（射线、热中子）如铁、铅、混凝土、铁、铅、混凝土、硼钢硼钢，反应堆容器容器采用高强钢高强钢。核聚变核聚变反应燃料燃料是氢的同位素氘、

41、氘、氚氚及惰性气体He（氦-3），氘和氚在地球上蕴藏极其丰富极其丰富，据测，每1升升海水海水中含30毫克毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油升汽油。一座100万千瓦万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304千克千克。由于原料氘和氚在海水中的丰富蕴藏，核聚变被视为“永久能源永久能源”，也没有核核废料的威胁废料的威胁（主要生成氦氦）。核聚变能产生上亿度的高温上亿度的高温，虽然用磁场束缚（托卡磁场束缚（托卡马克法）使高温等离子体不直接接触材料马克法）使高温等离子体不直接接触材料，但对材料要求还是十分苛刻对材料要求还是十分苛刻，如耐中子辐耐中子辐射、耐高温和抗氢脆射、耐高温和抗氢脆等。因

42、此，材料材料是聚变堆能否实用化的关键因素关键因素。除了燃料氘和氚燃料氘和氚外，核聚变材料中，氚增殖氚增殖材料（和中子反应生成氚）如铝锂合金、氧化锂铝锂合金、氧化锂等，中子倍增中子倍增材料常用含元素铍、铅、铋、锆的材料含元素铍、铅、铋、锆的材料，第一壁材料第一壁材料（包容等离子体）采用各各种碳材料种碳材料等等。7.8 新能源材料有待解决的课题新能源材料有待解决的课题（1 1）提高能量的利用率和转换率）提高能量的利用率和转换率（2 2）资源的合理利用）资源的合理利用 新能源的大量应用必然涉及到新材料所需原料的资源资源问题。例如，太阳能电池若能部分部分地取代常规发电地取代常规发电，所需的半导体材料要

43、在百万百万吨吨以上，因此，一方面，我们应尽量利用丰度丰度较高的元素，如硅等较高的元素，如硅等；另一方面，尽可能地实现薄膜化薄膜化技术以减少材料的使用量。又如，燃料电池燃料电池中要使用铂做催铂做催化剂化剂，如何用一种新的材料来代替代替或者用新的工艺来减少减少使用这种元素的量，也是必须注意加以解决的课题。此外，当新能源材料发展到一定规模时，还必须考虑废料中有价值元有价值元素的回收工艺与循环使用素的回收工艺与循环使用的问题。（3 3）安全与环境保护）安全与环境保护这是新能源材料能否大规模应用的关键关键。例如，虽然锂电池锂电池具有优良的性能，但由于最初锂二次电池在应用过程中出现过因短路造成短路造成的烧

44、伤事件的烧伤事件，因而严重影响了它的应用严重影响了它的应用，直到改用碳材料碳材料作为负极才使上述问题得以解决解决。另外，有些新能源材料在生产过程中也会产生三废（如核废料三废（如核废料）而对环境造成污染污染，这也是新能源材料必须考虑解决的问题。（4 4）材料规模生产工艺与设备）材料规模生产工艺与设备 新能源材料进入产业化产业化阶段后，材料的工艺与设备工艺与设备就成为关键的因素，必须满足高效率、高成品率、高可靠高效率、高成品率、高可靠性、环保、低成本性、环保、低成本的要求。（5 5）延长材料的使用寿命）延长材料的使用寿命 新能源材料应用中的最大问题最大问题常常是成本成本问题，延长材料的使用寿命使用寿命可有效地降低成本，这方面也存在很很大的潜力大的潜力。例如，通过降低降低燃料中的有害杂质含量杂质含量，提高燃料电池催化剂提高燃料电池催化剂的寿命的寿命就是一个明显的例子。