M6米乐新能源材料整理doc第一章 新能源材料概论 1.能源定义：可以直接或间接提供人类所需的光、热、电、动力等任何形式的 2.地球能量的来源和分类（P1） 3.我国能源的利用特点 （1）能源资源相对短缺。 （2）石油资源不足。 （3）能源生产和消费以煤炭为主：消费总量占70%左右，污染大，利用率低。 （4）能源利用效率低，清洁能源和新能源利用率不高。 4.我国能源工业面临的问题与改善措施 面临为题： (1)环境污染严重； (2)人均能耗水平低； (3)能源建设周期长，耗能多； (4)新能源占的比例少； (5)能源工业装备落后。 改善措施： （1）改善能源结构；（2）提高能源利用率；（3）加速实施洁净煤技术；（4）合理利用石油和天然气； （5）加快电力发展速度； （6）积极开发利用新能源； （7）建立合理的农村能源结构，扭转农村严重缺能局面； （8）改善城市民用能源结构，提高居民生活质量； （9）重视能源的环境保护。 5.燃料电池：一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。 6.能源材料： 实现能源的转化和利用，以及发展能源技术所涉及的关键材料。与能源开发、运输、转换和利用等相关的材料都属于能源材料。 7.材料对能源的影响 （1）材料产生新能源 （2）材料提高储能和能源的转换效率 （3）新材料决定能源技术的利用和安全性 （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。 （5）清洁材料是清洁能源与能源技术的基础。 8.能源材料的种类 （1）按材料种类和使用用途来分：燃料；能源结构材料；能源功能材料。 新能源材料；节能材料；储能材料等。 （3）CO2泵入地下(废矿井、含砂层、页岩)，一座100万千瓦电厂，10年内可贮存6000万吨CO2 （4）通过催化剂与生物工程CO2＋H2O →→粮食 第二章 太阳能 一、太阳 1.太阳是一个能发光发热的天体，发出的光和热叫做太阳能。 2.太阳平均密度大约只有地球平均密度的1/4。 二、太阳辐射 1.组成太阳的主要气体为氢和氦，太阳内部每时每刻都进行着将4个氢核聚变成1个氦核的热核反应； 2.太阳内部可以分为三层：核心层、辐射层和对流层,是复杂辐射体，且辐射波长和温度不同，但在实际太阳能利用的计算中，常常把太阳简化成一个温度为6000K的辐射黑体，即太阳辐射相当于温度为6000K的黑体的辐射。 3.太阳辐射的总能量中只有二十二亿分之一到达地球大气层上界。 4.(1)太阳辐射的能量主要集中在波长0.15-4微米之间。即紫外光区、可见光区和红外光区。 (2)太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区，在波长0.475微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值。 5.地面辐射的时空变化特点是：① 全年以赤道获得的辐射最多，极地最少。这种热量不均匀分布，导致地表各纬度的气温产生差异，在地球表面出现热带、温带和寒带气候；② 太阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低。 6.（1）由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用 “太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。 “太阳常数”是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。经过测定，国际学术界一致将“太阳常数”取为1353W/m2。 7.太阳能的转换与应用—本章重点 ★ 太阳能必须即时转换成其他形式能量才能贮存和利用，转换的方式主要有以下几种： （1）太阳能――电能 转换，并以电能形式利用 （2）太阳能――热能 转换，并以热能形式贮存 （3）太阳能――氢能 转换，并以氢能形式贮存 （4）太阳能――生物质能 转换，并贮存于生物质 （5）太阳能－－机械能 转换，并以机械 能形式利用 8.太阳能利用之光电转换---太阳光伏 将太阳能用于发电：（1）光—电直接转换 （2）光—热—电转换 光－电转换 原理：根据光电效应，通过太阳能电池（光电材料做成）将太阳辐射能直接转化为电能。 9.太阳能电池原理 太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。 所谓光 太阳能电池材料：如：单晶硅， 多晶硅，非晶硅（P116） 10.（1）半导体Si的内部结构 （2）P型半导体的结构 （定义P117） （3）N型半导体的结构（定义P118） 11.太阳能晶片受光的物理过程 P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，出现了浓度差，N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，从而形成了一个由N指向P的“内电场”，阻止扩散进行。达到平衡后，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。当晶片受光后，N型半导体的光生空穴往P区移动，而P区中的光生电子往N区移动，从而形成从N区到P区的电流。在PN结中形成电势差，这就形成了电源。 12.（1）内电场：对多数载流子的扩散运动起阻挡作用 （2）光生伏特效应：当晶片受光后，N型半导体的光生空穴往P区移动，而P区中的光生电子往N区移动，在PN结中形成电势差，这就形成了电源。 13.（1）太阳能电池：利用太阳光直接发电的光电半导体薄片, 只要一照到光, 瞬间就可输出电压及电流，称为太阳能光电池 (Solar cell)，简称为太阳能电池。 （2）晶片受光照时空穴往P型区移动，电子往N型区移动 ，电子从N区负电极流出负电，空穴从P区正电极流出正电 14.PN结的单向导电性 （1）加正向电压(外、内电场的方向相反)→→→P区的空穴进入空间电荷区抵消部分负电荷；N区的自由电子进入空间电荷区抵消部分正电荷→→→空间电荷区变窄，内电场被削弱→多数载流子的扩散运动增强→→→形成较大的扩散电流（由P区流向N区的正向电流）→→→外电场愈强，正向电流愈大，PN结呈现的电阻很低，即PN结处于导通状态 （2）加反向电压(外、内电场的方向一致)→→→空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走→→→内电场增强，多数载流子的扩散运动难于进行→→→加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流→→→少数载流子数量很少，反向电流不大，PN结的反向电阻很高，即PN结处于截止状态。 15.太阳能电池材料要求： （1）能充分利用太阳能辐射，即半导体材料的禁带不能太宽； 2）有较高的光电转换效率； （3）材料本身对环境不造成污染； （4）材料便于工业化生产，性能稳定且经济。 16.太阳能电池结构：半导体层 (Si、GaAs等)、保护涂层、电极等 （1）半导体层：Si，GaAs，共轭有机大分子，有机共轭聚合物高分子 作用：吸收太阳能，产生光生电子和空穴 （2）保护涂层（涂敷于半导体层表面）：⑴降低膜对光的反射，提高转换效率；⑵保护膜以减少腐蚀等破坏，保护涂层应有良好 的透光性。 RuO2、钌和钛的混合氧化物、锡和铟的混合氧化物 （3）电极：低功函的金属，如金、银、铝、鉬等。 功函数又称功函、逸出功，在固体物理中被定义成：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。是体现电子传输能力的一个重要物理量。 17.太阳能电池的分类（P113） 18.（1）非晶硅的制备 在真空中用电子束轰击固态硅使之蒸发，将其引到等离子区使其离子化，被离子化的硅离子在衬底和蒸发源之间所加电压的作用下加速向衬底沉积，在衬底上形成非晶硅膜。 （2）多晶硅的制备 将硅熔融后注入石英制的流槽中，使里侧涂敷碳膜的陶瓷衬底与熔融硅液接触，同时使衬底移动，在衬底上形成0.1～0.2mm厚的硅多晶膜。 19.p-n结的形成方法： 必须对单晶硅、非晶硅、多晶硅进行掺杂以形成p-n结产生光生伏特效应。 掺杂方法: ⑴涂敷扩散法： 在硅膜上涂敷含有形成p-n结所需的杂质元素和硅酸的有机溶剂，干燥后装入炉中加热到一定温度使杂质元素扩散到硅膜之中。 ⑵离子注入法： 将硅膜作为衬底，杂质元素离子化后，用高压对其进行加速，使离子有很高的能量能够注入硅膜内。 20.太阳能电池（硅系）的优点： （1）将光能直接转换为(直流)电能，但本身不储存能量； （2）使用方便、无废弃物、无污染、无噪音； （3）电池模板寿命长久，可达二十年以上 ； （4）外型尺寸可随意变化，应用广泛(小至消费性产品—如计算机，大至发电厂)； （5）发电量大小随日光强度而变； （6）太阳能电池未来与建筑物结合，将可普及化。 三、各种太阳能电池 1.染料敏化TiO2太阳能电池的手工制作 ： 1.1制作二氧化钛膜 (1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨 (2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜 (3)把二氧化钛膜放在酒精灯上烧结10～15分钟，然后冷却 2利用天然染料为二氧化钛着色? 把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干 。 1.3制作正电极 用染料着色的TiO2作为电子流出的一极（即负电极）。正电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构成，用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。 1.4加入电解质 利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。 1.5组装电池 在二氧化钛膜上滴加电解质后，把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。将两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线电池的测试 在室外太阳光下，检测太阳能电池是否可以产生电流。 2.太阳能的技术应用 （1）太阳能的利用 ①太阳辐射的热能利用 ②太阳能光热利用 ③太阳能热发电 ④太阳能光伏发 ⑤太阳能综合利用 （2）太阳能采集 ①平板集热器 ②真空管集热器 ③聚光集热器 3.太阳能——太阳能热利用 太阳能热利用就是用太阳能集热器将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。 太阳能热利用的关键部分是太阳能集热器。根据集热方式不同分为平板型集热器和聚焦型集热器 4.太阳能——太阳能之热利用（一） （1）太阳能热水器 太阳能热水器用于收集太阳辐射能来加热水供用户使用，按集热器不同分为平板式太阳能热水器和真空管式太阳能热水器，国内以真空管式太阳能热水器为主。 ①一般太阳能热水器由集热器、储热水箱、循环水泵和控制系统等主要部件组成。 ②集热器和储热水箱合二为一的称为闷晒式热水器，反之称为分立式热水器。 ③按热水流动方式，太阳能热水器可以分为自然循环式热水器和强制循环式热水器。 （2）太阳房 太阳房利用的物理原理是温室效应。温室效应就是波长较短的太阳辐射能顺利透过而波长较长的热辐射被阻挡或吸收的现象。玻璃以及二氧化碳、甲烷等气体就具有这种效应。因此我们可以用玻璃等透明材料为顶作成温室，让属于短波辐射的太阳光透过而阻挡室内的长波辐射，这样进入室内的能量就大于向室外散发的能量，室内温度也就大于室外温度。 太阳房一般分为被动式太阳房和主动式太阳房。 按太阳能的采集方式不同可分为直接受益式、集热蓄热墙式、蓄热屋顶式、温室蓄热墙式和对流蓄热式五种基本类型。 （3）太阳灶 5.太阳能——太阳能之热利用（二） （一）太阳能热发电 太阳能热发电是利用太阳能收集器先将太阳辐射转化为热能，然后经过各种途径转换为电能供用户使用。 太阳能热发电包括： 太阳能蒸汽或气体热动力发电 ②太阳能半导体温差发电 太阳能烟囱发电 ④太阳池发电 ⑤太阳能热声发电。 （1）太阳能蒸汽或气体热动力发电又包括太阳能槽式聚焦发电、太阳能塔式聚焦发电和太阳能碟式聚焦发电等。 （2）太阳能半导体温差发电 定义：太阳能半导体温差发电是利用温差发电材料直接将热转化为电的技术。 原理：是赛贝克效应，即在两种不同的导体或导电类型不同的半导体联成的回路中，若两导体的两个接点处温度不同，则在这两个接点之间有电动势产生。 （3）太阳能烟囱是太阳能热发电的一种新模式 原理是空气在一个很大的玻璃或其他透明材料制成的天棚下被加热，热空气在天棚中央的烟囱中上升，上升气流带动空气透平发电机发电。 太阳池发电 ①太阳池发电是利用盐水池中上下层液体形成一个温度差来发电。 ②由于重力作用，上层液体盐分浓度低，下层液体盐分浓度高，在盐水池中从上到下会形成一个浓度梯度，这样会使池水稳定分层。 ③在太阳辐射下，下层盐分浓度高对太阳辐射吸收强，下层温度不断升高直到达到最大值，而上层清水层对太阳辐射透过性强，则充当保温层维持下层液体温度。 （5）太阳能热声发电 太阳能热声发电就是采用太阳能作为热源，利用热声效应，即管内气体（氦气）在温度梯度作用下发生振动，这样热能便转换成了声能，再由声能驱动一个线流发电机发电的过程。 （二）太阳能光伏发电系统的结构 系统组成： （1）太阳能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它是光伏发电的核心部件。 （2）充放电、逆变器：本部分除了对蓄电池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，一般还要按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。 3）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备：蓄电池或其他蓄能元件如超导、超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。 （1）半导体材料的禁带不能太宽 （2）要有较高的光电转换效率 （3）材料本身对环境不造成污染 （4）材料便于工业化生产且材料性能稳定 7.利用太阳能电池发电的优缺点 优点： （1）属于可再生能源，不必担心能源枯竭 （2）太阳能本身并不会给地球增加热负荷 （3）运行过程中低污染、平稳无噪音 （4）发电装置需要极少的维护,寿命可达20年 所产生的电力既可供家庭单独使用也可并入电网 (6)用途广泛 缺点： （1）受地域及天气影响较大 （2）由于太阳能分散、密度低，发电装置会占去较大的面积 （3）光电转化效率低致使发电成本较传统方式偏高 第三章 锂离子电池材料 1.锂电池的负极材料是锂金属，正极材料是碳材。 锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极材料是碳材。 2.目前锂离子电池优缺点 优点：（1）工作电压高；（2）能量密度高；（3）自放电速率低;（4）循环寿命长 （5）无记忆效应；（6）环保 缺点：（1）快充放电性能差、大电流放电特性不理想；（2）价格偏高；（3）过充放电保护问题 3.锂离子电池对正、负极材料的要求 (1) 具有稳定的层状或隧道的晶体结构。 (2) 具有较高的比容量。 (3) 有平稳的电压平台。 (4) 正、负极材料具有高的电位差(5) 具有较高的离子和电子扩散系数。 (6) 环境友好。 4.LiCoO2 存在的主要问题 （1）实际比容量与理论值275 mAh/g有较大差距。 （2）资源匮乏，成本高。 （3）有一定毒害 主要解决办法：利用Ni、Al等元素掺杂替代，稳定结构，提高电位和比容量，降低成本 5.LiNiO2 存在的主要问题 （1）制备困难（2）结构不稳定，易生成Li1-yNi1+yO2。使得部分Ni位于Li层中，降低了Li离子的扩散效率和循环性能。 主要解决办法：利用Co、Al、Mg等元素掺杂替代，稳定结构，提高电位、比容量和循环性能。改善制备工艺、降低合成条件。 6.LiMn2O4存在的主要问题：结构热稳定性差，易形成氧缺位，使得循环性能较差。 主要解决办法：利用Co、Ni等元素掺杂替代，稳定结构，提高比容量和循环性能。 7.LiFePO4正极材料主要优点： （1）优异的安全性能 （2）优异的循环稳定性，8000次高倍率充放电循环，不存在安全问题。 （3）适于大电流放电。温度越高材料的比容量越大。 （4）成本低，环保。 存在的主要问题： （1）结构中没有连续直接的锂离子通道，使得离子迁移率低。 （2）结构中没有连续的FeO6八面体网络，电子只能依靠Fe-O-Fe传导，电子导电率低。 主要解决办法： 通过Mg、Al、Ti、Nb和W等元素掺杂，人为制造结构缺陷，来提高离子迁移率和电子导电率。 8.锂离子电池的充电特性 锂离子电池开始充电时，电压缓慢上升，充电电流逐渐减小，当电池电压达到4.2V左右时，电池电压基本不变，充电电流继续下降，判断锂离子电池充电是否结束的方法是利用检测它的充电电流，当它的充电电流下降至某一定值时结束充电。 （二）二次锂离子电池的负极材料 1.碳材料的结构可以从晶体学、堆积方式和对称性等多个角度来划分。 从晶体学角度而言划分为：晶体和无定型。 从堆积方式可以分为：石墨、软碳、硬碳 2.插锂过程 （1）石墨化碳材料在锂插入时，首先存在一个比较重要的过程：形成钝化膜或电解质—电极界面膜。其形成一般分3步骤：①0.5V以上膜的开始形成②0．55—0．2V主要成膜过程③0.2V才开始锂的插入。 （2）如果膜不稳定，或致密性不够，一方面电解液会继续发生分解，另一方面，溶剂会发生插入，导致碳结构的破坏。表面膜的好坏与碳材料的种类、电解液的组成有很大的关系。 3.无定形碳材料 它的主要特点为： （1）制备温度低；（2）其002面对应的X射线衍射峰比较宽，层间距d002一般在0.344nm以上。 存在的问题： （1）与溶剂相容性问题，造成层间剥落 （2）过低的插锂电位，造成过充时锂的沉积； （3）相对低的比容量； （4）锂的扩散系数较低。 解决的方法 ： （1）对材料进行改性 （2）新材料的研制 4.碳材料的改性 （1）引入非金属(硼、氮、硅、磷、硫) （2）引入金属元素 （3）表面处理 ：氧化处理、表面涂层 氧化处理主要方法有：气相氟化和氧化、液相氧化、等离子处理、形成表面层等 5.（1）合金的主要优点是：加工性能好、导电性好、对环境的敏感性没有碳材料明显、具有快速充放电能力、防止溶剂的共插入等。 （2）按基体材料来分，主要分为：硅基合金、锡基合金、锗基合金、镁基合金和其他合金。 6.无定型硅的特点：容量高但循环差。 7.燃料电池的化学原理 ： （1）与一般电池相异处: 一般电池是能量的“储存器”;而燃料电池則是能量“转换器”，只要供给燃料，就能产生电力，但其不能储存电能。 （2）目前燃料电池最常用的燃料是以具有最高活性的“氢气”为主。氧化剂直接取空气使用。 8.（1）固态氧化物燃料电池 电解质：高溫下具有传递氧离子(O2?)能力的固态氧化物 阳极燃料：氢气、天然气、煤气、甲烷等 阴极氧化剂：空气中的氧气 固态氧化物燃料电池由于完全是由固态材料所組成，包括固态电解质、固态电极等。所以其稳定性及使用寿命均超越其他的燃料电池。 （2）固态电解质： 致密薄膜，其厚度约为20 um，功能：氧离子传导性高，电子传导性低（绝缘体）。最常用的材料是钇稳定化的氧化锆 （3）典型的固态电解质有下列的特性： ①固态电解质为离子化合物，其化学键为离子键 ②高的离子导电率，有传递氧离子(O2?)的能力 ③主要带电体为离子 （4）固态氧化物燃料电池的电解质材料必須具备以下三点要求： ①电解质材料不可有孔隙产生，避免造成气体的通过而形成短路。 ②电解质材料必須是电的绝缘体（电子传导能力愈小愈好），但是，氧离子的传导能力愈大愈好。 ④电解质材料必須要愈薄愈好，以降低欧姆极化的影响。 （5）阳极材料在设计上必須符合几点要求： ①良好的电子导电性。 ②较高的孔隙率足以让燃料进入阳极。 ③较好的催化效率，以保证使阴极还原半反应順利进行。 ④高温热稳定性。 ⑤还原气氛下结构稳定。 ⑥高温热膨胀系数需和电解质、阴极、连接元件相匹配。 ⑦与电解质之间的介面稳定性要高。 常用的材料是镍和氧化锆 (Ni/YSZ) 混合的金属陶瓷材料 在燃料电池的反应中，阳极与燃料直接接触，所以必須要有良好的电子导电率外，还要在还原环境中有良好的稳定性。在结构上，则必須让燃料气体和反应后的水或二氧化碳可以很容易的进出，故阳极是多孔洞的材料 （6）阴极材料 ： 与阳极相似，必須要有高的电子导电率、稳定性和孔洞结构。但是阴极要在氧化环境下操作，因此，无法使用一般的金属材料，必須改用具有电子导电性的氧化物材料。常用的阴极材料为添加锶的镧锰氧化物。 （7）固态氧化物燃料电池的效能主要由下列三种不可逆反应所主导： 欧姆极化、活化极化、浓度极化 ①欧姆阻抗主要来自于氧离子在电解质內移动，以及电子在电极內移动时的阻抗。影响此时电池性能的因素为燃料电池的內电阻，包含了电解质的氧离子交换阻抗和各材料间的接触阻抗等。 ②活化极化現象主要是来自于电极表面在刚要产生电化学反应时，所需的起动力增加所致。此一活化极化現象主要与电化学反应的速率有关，包含了空气和燃料气体的吸附和脱附动力学。 ③浓度极化现象与空气和燃料气体由外界扩散至电极表面的速率有关。在整个电化学反应过程中，空气和燃料气体必須适时地移动到电极表面，一旦空气或燃料气体来不及供应，也就是在电极表面无法维持一适当的反应物浓度时，則会发生浓度极化现象。 12.固态氧化物燃料电池 (SOFC)比其他燃料电池有更多的优点: （1）让电化学反应在更高温下操作，具有更快的反应速率。 （2）可直接使用含有甲烷的燃料，如天然气、沼气。 （3）不需要貴重金属，如白金作电化学反应的催化剂。 （4）整个燃料电池为一完全固态结构 (70% 以上为氧化物 )，可使用数年而不需维修或更换。 第四章 燃料电池材料 1.燃料电池定义： 一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率高达60%-80%。 工作原理：（P76第二段2~4行） 2.燃料电池优点 a.能量转换效率高达85%，温差电池效率10%，太阳电池的效率为20%。 b.减少大气污染，普通的火力发电无法相比。 c.特殊场合的应用，载人宇宙飞船。 d.高度的可靠性，模块化结构，负载变化时，响应速度快。 e.比能量高，补充燃料，即可输出能量。 3.燃料电池的分类，按电解质的类型分：（五种：P77~P80的五个黑色标题） 4.（1）碱性燃料电池原理 阳极反应：H2+2OH- ------- 2H2O+O2 阴极反应：1/2O2+H2O+2e- ------ 2OH- 理论电动势为：-1.228 V KOH, NaOH为电解质 （2）优缺点： 碱性介质腐蚀电极材料，CO2易使其中毒。 现已基本被PEMFC 5.质子膜燃料电池的工作原理（P82） 6.磷酸燃料电池原理 阳极反应：H2------- 2H++2e- 阴极反应：1/2O2+2H++6e- ------ H2O 7.熔融碳酸盐燃料电池原理（电极反应式P93） 8.固体氧化物燃料电池原理（反应式：P101下~P102上） （另见本资料第七页8） 通过离子传导陶瓷将燃料和氧化剂气体中的化学能转化为电能，也称陶瓷燃料膜（CFC）。 9.氢燃料电池 （1）氢燃料电池发电的基本原理：电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。 （2）氢燃料电池发电：将燃料的化学能直接转换为电能，能量转换率可达60%～80%，而且污染少、噪音小，装置非常灵活。 （3）氢燃料电池与普通电池的区别：干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；氢燃料电池严格地说是一种发电装置，把化学能直接转化为电能。 （4）优点：①无污染，只有水排放。用它装成的电动车，称为“零排放车”； ②无噪声，无传动部件，特别适于潜艇中使用； ③起动快，8秒钟即可达全负荷； 可以模块式组装，即可任意堆积成大功率电站； 第五章 金属氢化物镍电池材料 1.氢能优点 （1）热值高：氢的燃烧热大约是汽油的3倍，焦炭的4.5倍； （2）资源丰富：地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达11.1 （3）不产生二次污染：燃烧后生成水，干净、无毒； （4）应用范围广，适应性强：如可作为电池发 电，用于氢能汽车、化学热泵等 。 （1) 天然气制氢 （2) 煤制氢 （3) 水电解制氢 （4) 生物质制氢 （5) 太阳能制氢 （6) 核能制氢 （7) 等离子化学法制氢 3.太阳能制氢 （1）太阳能电解水制氢（太阳能光伏电池-电解水制氢） （2）太阳能热化学循环制氢 太阳能热化学反应循环制取氢气技术，就是利用太阳能集热器将太阳能聚集起来产生高温，推动以水和金属氧化物、硫化物或溴化物为原料的热化学反应制取氢气的过程。 原理：利用高温下金属氧化物、硫化物或溴化物分解的强吸热反应，将太阳能转化为化学能；较低温度下经过热化学反应循环，使水分解制得氢气。 （3）太阳能光化学制氢 C2H5OH →→→CH3CHO+H2 由于乙醇不直接吸收光，须加入光敏剂，二苯（甲）酮 （4）太阳能热解水制氢 太阳炉可以实现3000 ℃以上的高温，而热解水产生氢气需2000℃ 的高温，目前制约因素主要是造价和材料设备。 （5）太阳能--光催化剂制氢 催化剂设计的思路：抑制逆反应即电子-孔穴的再结合 （6）太阳能光电化学分解水制氢 太阳能光电化学分解水制氢是电池的电极在太阳光的照射下，吸收太阳能，将光能转化为电能并能够维持恒定的电流，将水解离而获取氢气的过程。 原理是：阳极和阴极组成光电化学池中，当光照射到半导体电极表面时，受光激发产生电子---空穴对，在电解质存在下，阳极吸光后在半导体带上产生的电子通过外电路流向阴极，水中的质子从阴极上接受电子产生氢气。 现在最常用的电极材料是TiO2. 4.氢气的储存 （1）常压储氢 （2）高压气态储氢 （3）冷液化储氢 （4）吸附储氢 （5）金属氢化物 5. 储氢合金 （1）定义：一定的温度和压力条件下，一些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。 1000—1300倍的氢。当金属氢化物受热时，又可释放出氢气。 （3）优点：可储存相当于合金自身体积上千倍的氢气，吸氢密度超过液态氢和固态氢密度，轻便安全。 6.贮氢合金的分类 （1）按合金系统 稀土贮氢合金、钙系贮氢合金 、钛系贮氢合金 、镁系贮氢合金、锆系贮氢合金 （2）按化合物的类型 AB5型稀土类及钙系贮氢合金、AB2型Laves相贮氢合金 、AB型钛系贮氢合金 、A2B型镁系贮氢合金 7. 镁系贮氢合金特点： （1）储氢容量高（2）资源丰富（3）价格低廉（4）放氢温度高（4）放氢动力学性能较差 8.储氢合金中氢的位置 储氢合金吸收氢后，氢进入合金晶格中，合金晶格可以看作容纳氢原子的容器 9.高压氢镍电池 （1）高压氢-镍电池的正极采用烧结式镍电极；负极以镍网为骨架，Pt、Pd等贵金属为催化剂，负极活性物质是电池内预先充入的高压氢气 （2）优点：较高的比能量，循环寿命长，耐过充、过放能力强，可以通过氢压来指示电池荷电状态等 （3）高压氢-镍电池的工作原理 负极： 正极： 电池： （4）高压氢-镍电池的结构 压力容器、镍电极、氢电极、隔膜、电解液 （5）缺点：负极使用贵金属催化剂，电池成本高；电池内部氢压高，增加了电池密封的难度；壳体需要用较重的耐压容器，降低了电池的比能量；电池自放电大；可能因氢气泄漏而出现安全问题 10.低压氢镍电池(金属氢化物-镍电池) （1）以储氢合金为负极、Ni(OH)2为正极 （2）优点: 较高的比能量，耐过充、过放能力强，循环寿命长，无毒及不使用贵金属等 （3）缺点: 电池自放电较大 11.Ni-MH电池与镍镉电池(Ni-Cd)比较 （1）Ni-MH电池优点： ①可吸收高达本身体积100倍的氢，储存能力极强; ②镍氢电池的能量密度比镍镉电池大，其容量约为镍镉电池的2 ③用专门的充电器可在一小时内快速充电，内阻较低，一般可进行500 忆效应。 池。 （2）镍镉电池(Ni-Cd) 优点：可以耐过充电，可重覆约500 缺点：①充放电时，阴极会长出镉的针状结晶，有时会穿透隔膜而引起内部枝状晶体式的短路； ②含有镉，有毒，必须回收；③有记忆效应。MH/Ni电池的储氢合金应当满足以下条件 （1）电化学储氢容量高，在较宽的温度范围内不发生太大变化，合金氢化物的平衡压力适当（0.01MPa-0.5MPa，298K），对氢的阳极氧化具有良好的催化作用； （2）在氢的阳极氧化电位范围内，储氢合金具有较强的抗氧化能力； （3）在碱性电解质中合金组分的化学性质相对稳定； （4）反复充放电过程中合金不易粉化，制得的电极能保持形状稳定； （5）合金应具有良好的电和热的传导性； （6）原材料成本低廉，无污染. 13.（1）储氢合金的制备 ①通常采用熔炼法制备储氢合金并对其进行热处理； ②采用机械粉碎法或氢碎法将得到的合金粉碎 （2）储氢合金电极的制备：①粘接法 ②泡沫电极法 ③烧结法 （3）储氢合金电极的性能衰减 ①合金的微粉化及表面氧化扩展到合金内部 ②储氢合金电极的自放电 （4）储氢合金的表面处理技术：①化学处理法 ②酸、碱及氟化物处理法 ③微包覆处理 14. MH/Ni电池电性能 （1）MH/Ni电池具有能量密度较高，与Cd/Ni电池工作电压相当可互换，可快速充放电，低温性能好，耐过充、过放能力强，无毒等优点 （2）MH/Ni电池的结构与Cd/Ni电池基本相同：正极为NiOOH电极，负极为储氢合金电极，隔膜一般为无纺布，常用聚丙烯或聚酰胺纤维为原料 第六章 新型核能 1.（1）核能:核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时放出的能量，都叫原子核的结合能(核能) 。简单来说，核反应中放出的能量称为核能 。 （2）优点:环境污染小，燃料运输量小，单位质量释放的能量大 。 （3）核能的利用：①核能供热 ②利用核能冶炼钢铁 ③核电：利用核能转化为电能 ④利用核能作动力 2.X射线是波长介于紫外线和γ射线 间的电磁辐射，波长范围在0.01纳米到10纳米之间。 3.（1）(射线是带两个正电荷的氦核流； (射线是带负电的电子流； (射线是电中性的电磁辐射（高能光子流）。 （2）三种辐射（射线）的区别： ①三种射线在电场（或磁场）中的偏转轨迹不同 ②三种射线具有完全不同的穿透性 ①对这三种射线，用它们在垂直于运动方向的电场（或磁场）中的轨迹即可区分。 ②完全不同的穿透性 对于(射线，一张纸就可把它挡住。 对于(射线，非但纸挡不住，甚至可穿过几毫米厚的铝板，但强度有明显减弱。 对于(射线，它的穿透力最强，在穿过几毫米的铝板后，减弱很少，要挡住它，则要用又厚又重的铅砖。 4.产生放射性的原因 放射性的产生是一种元素的原子脱变为另一种元素的原子时所发生的现象。这些原子在放出(粒子或(粒子后，便自发地转变成为另一种元素的原子。 5.人工核反应：利用放射性元素释放出来的高能粒子轰击已有原子核引发的核反应，从而产生不同元素或同位素。 1919年，卢瑟福利用212Po放出的7.68MeV的(粒子轰击氮气发生如下反应：即(粒子与14N发生反应产生氢核和17O。 6.导致发现中子的核反应： 7.核能定义：核能又称原子能。它是指原子核结构发生变化（核裂变、核聚变）时释放出的能量。 8.（1）核裂变：被中子击中时，大原子核成数个小原子核，这个过程会释放能量。 （2）核聚变：数个小原子核结合并释放能量。 9.核裂变反应 它是指一个重原子核成2个较轻的新原子核的过程； 用来进行核裂变反应并连续释放能量的物质，称核裂变燃料。 铀 = 铀238（99.28%）+ 铀235（0.714%） + 铀234（0.006%） 目前主要是利用235U的裂变。设计了可控制核反应的装置—原子核反应堆：热中子转换堆、增殖反应堆 （1）定义：是利用轻原子核（氘或氚）在极高温度（几千万开或上亿开）下聚合成较重原子核（如氦）的过程中释放的能量。在高温下物质进入等离子状态，即成为炽热的电离气体。这时轻原子核运动的速度快到足以聚合起来。聚变反应充分进行后，聚变反应产生的高温足以维持反应。 （2）聚变反应的优点：①燃烧产生的能量大，1kg氘和氚相当于1万吨的优质煤。②地球上储量丰富，1L水中含0 .03g氘，这些氘通过热核反应产生的热量相当300L汽油的。③污染小。 11.核能的利用：与氢弹、核电站、可控核聚变的研究现状与前景 （1）是最早研制出的核武器，它是利用原子核裂变反应所放出的巨大能量，通过光辐射、冲击波、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲起到杀伤破坏作用。 （2）又称热核聚变武器，它是利用氢的同位素氘、氚等轻原子核的聚变反应，产生强烈爆炸的核武器。其杀伤机理与基本相同，但威力比大几十甚至上千倍。 12.受控核聚变 (1)受控核聚变是指两个或两个以上较轻的原子核受控聚合成一个较重的原子核的反应； (2)核聚变燃料主要是氢及其同位素氘和氚。 (3)受控核聚变具有以下优点： ①质能比高，是同质量核裂变释放能量的4倍； ②原料足，从海水中可大量提取氘和氚； ③无放射性，安全、清洁、不污染。 （4）氢弹是利用核聚变制成，但它的能量是一下子释放。要和平利用核聚变能，就要使热核反应的能量有控制地释放。核聚变时，氘、氚燃料是“高温等离子体”，达1亿度高温，任何容器都无法承受此高温，因此要有办法盛装和约束等离子体m6体育。有两种途径：磁约束和惯性约束 ①磁约束：用强磁场将低密度的氘、氚核长时间约束在预先充满等离子体的空间中，热能也就很好地保存在等离子体中。 ②惯性约束：用燃料自身的惯性，在极短的时间内（如10-10s （5）人们正在探索激光引发核聚变反应。激光能量高度集中，将激光束聚集在聚变物质的表面，使物质变成等离子体，并使其温度上升到产生热核反应的温度。在激光脉冲持续的约10-9s的时间内，热能来不及从加热物质散开，就不必采用约束的方法。 13. 核电站 （1）核电站是利用原子核裂变所释放的的能量产生电能的发电站。 （2）核电站一般分为两部分：利用原子核裂变生产蒸汽的核岛（包括反应堆装置和一回路系统）和利用蒸汽发电的常规岛（包括汽轮发电机系统）。核电站使用的燃料一般是放射性重金属：铀、钚。 （3）民用核电站大都是压水反应堆核电站，其工作原理是：用铀制成的核燃料在反应堆内进行裂变并释放出大量热能；高压下的循环冷却水把热能带出，在蒸汽发生器内生成蒸汽，推动发电机旋转。 （4）反应堆组件--控制棒和冷却剂 ①控制棒：为了控制链式反应的速率在一个预定的水平上，需用吸收中子的材料做成吸收棒，称之为控制棒。吸收体材料一般是硼、碳化硼、镉、银铟镉等。 ②冷却剂：为了将裂变的热导出来，反应堆必须有冷却剂，常用的冷却剂有轻水、重水、氦和液态金属钠等。 （5）控制棒工作原理 ①控制棒是由硼和镉等易于吸收中子的材料制成的。核反应压力容器外有一套机械装置可以 操纵控制棒。控制棒完全插入反应中心时，能够吸收大量中子，以阻止裂变链式反应的进行。 ②如果把控制棒拔出一点，反应堆就开始运转，链式反应的速度达到一定的稳定值； ③如果想增加反应堆释放的能量，只需将控制棒再抽出一点，这样被吸收的中子减少，有更多的中子参与裂变反应。 ④要停止链式反应的进行，将控制棒完全插入核反应中心吸收掉中子即可。 ⑤当反应堆冷却剂的温度超过允许值时，温控系统将信号传给控制棒驱动机构，控制棒便会在几秒钟内迅速插入堆芯底部，使核反应堆停堆。 （6）核电站的安全性 以我国秦山核电站为例，秦山核电站是压水堆式的，用高压含硼水作为慢化剂和冷却剂，高压水通过堆芯加热后仍是高压水，通过蒸汽发生器交换热量，产生蒸汽用来发电。所使用的核燃烧是低浓度的二氧化铀（浓度为2.4%-3%）。这是国际上应用最广泛、安全性最好的一种堆型。 秦山核电站还设有三道安全屏障： 第一道屏障——燃料包壳：核燃料芯块是被叠装在锆合金管中，管子被密封起来，组成燃料元件棒，锆管可把裂变产生的放射物质密封在里面。 第二道屏障——压力壳：在锆管外面有一压力壳，厚度为175毫米，万一锆管燃料壳密封被破坏，放射性物质只会泄漏到高压含硼水中，不会再扩散。 第三道屏障——安全壳安全壳是一个顶部为球形的圆柱形预应力钢筋混凝土建筑物，内径约36米，外径38米，高62.5米，壁厚1米，内衬一层6毫米厚钢板，一旦前两屏障失去作用，安全壳能可靠地把放射性物质包含在里面。 （7）核电能优点： ①减少依赖化石燃料； ②生产巨大能量； ③只需小量原料④铀矿蕴藏量足够长期使用。 ⑤运作成本较低（约为火力发电三分之一）； ⑥生产电力时不会造成空气污染。 （8）核能利用存在的主要问题 ①资源利用率低 ②反应后产生的核废料成为危害生物圈的潜在因素，其最终处理技术尚未完全解决 ③反应堆的安全问题尚需不断监控及改进 ④核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚-239受控制 ⑤核电建设投资费用仍然比常规能源发电高，投资风险较大 第七章 相变储能材料 1.（1）定义：相变材料（PCM）是一类在其本身发生相变的过程中，可以吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境放出热（冷）量，从而达到控制周围环境温度的目的的材料。 （2）相变储能技术:通过相变材料相变时吸收或放出大量热量以达到能量存储的目的。 2.储能机理 （1）利用材料的比热容或者材料温度的变化（显热）。 （2）利用材料物态的转变（相变热） 3.相变储能材料的组成及物理性能 （1）相变现象 相变材料的种类很多，从蓄热过程中材料相态的变化方式来看，分为:固-液相变、固-固相变、液-气相变和固-气相变四类。 （2）贮热相变材料的相变 可定义如下:“相是系统中均匀的与其他部分有界面分开的部分。” 所谓均匀的，是指这部分的成分和性质从给定范围或宏观来说是相同的，或是以一种连续的方式变化，也就是没有突然的变化。一个多相系统是不均匀的，在相界处有物理性质或化学性质或两者兼有突变。例如，在一个包含有冰和水的两相系统中，其物理性质在相界面处有突然变化。 （3）在一定条件下，物质不同相之间的相互转变叫做相变。 （4）如果系统中各相经历很长时间而不互相转化，则是处于平衡状态。实际上相平衡是一种动态平衡，从系统内部来看，分子或原子仍在相界处不停地转换，只不过同一时间内各相之间的转化速度相同。 （5）相变是有序和无序两种倾向相互竞争的结果。相互作用是有序的起因，热运动是无序的来源。在缓慢降温的过程中，每当温度降低到一定程度，以致热运动不再能破坏某种特定相互作用造成的有序时，就可能出现新相。 （6）①固-液相变：原理：（P203表格下第三行） ②固-固相变储能材料：定义、特点：（P204黑子标题下第一行） 4.相变储能机理：（P202正文第三段） 5.固-液相变储能材料 （1）从材料的化学组成来看，主要分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料。 （2）无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐和金属合金等无机物。 （3）有机相变材料的优缺点：与无机类相变储能材料相比，有机类相变储能材料具有无过冷及析出，性能稳定，无毒m6体育，腐蚀等优点。其中石蜡类相变潜热大、相变温度范围广、价格低，所以在相变储能材料的研究使用中受到广泛的重视。但石蜡类相变储能材料热导率较低，也限制了其应用范围。。 （4）复合相变材料由较稳定的有机化合物和具有较高导热系数的无机物颗粒制备而得，因而复合相变材料具有稳定的化学性质，无毒无腐蚀性或毒性和腐蚀性小。同时它的导热能力较有机物有较大的改善。石蜡因其具有较高的相变焓及较稳定的化学性质，并具有相变稳定、易调节广泛应用于相变储能系统。不同组成的石蜡相变温度不同，可以通过将不同相变温度的石蜡进行互混得到较广范围的相变温度。石蜡中添加入高导热系数的无机物颗粒，得到的复合物不仅导热系数有所提高，同时还保持了有机物原有的优点。 6.共晶：一种合金或固溶体,其所含组分的比例是这样的，即在具有这样的组分比例时其熔点可能最低。（固体溶液） 7.目前制备相变材料的方法主要有以下几种: （1）基体材料封装相变材料法 （2）基体和相变材料熔融共混法 （3）混合烧结法 ①基体材料封装相变材料法：就是把基体材料按照一定的成形工艺制备成微胶囊m6体育、多孔或三维网状结构, 再把相变材料灌注于其中或把载体基质浸入熔融的相变材料中。 其中微胶囊化技术包括界面聚合法和原位聚合法。 ②基体和相变材料熔融共混法：利用相变物质和基体的相容性, 熔融后混合在一起制成组分均匀的储能材料。此种方法比较适合制备工业和建筑用低温的定形相变材料 ③混合烧结法：这种方法首先将制备好的微米级基体材料和相变材料均匀混合, 然后外加部分添加剂球磨混匀并压制成形后烧结, 从而得到储能材料。这种方法通常用于制备用于高温的相变储能材料。 8.相变储能材料的性能表征及测试方法 （1）根据储能材料的使用特点和性能要求, 相变材料一般须满足以下要求: 储能密度大, 能源的转换效率高;稳定性好, 单组分材料不易挥发和分解; 对多组分材料,则要求各组分间结合牢固, 不会发生离析现象;无毒、无腐蚀、不易燃易爆, 且价格低廉; 导热系数大,以便能量可以及时地储存或取出; 不同状态间转化时, 材料体积变化要小; 需要合适的使用温度。 （2）根据以上分析, : ①差示扫描量热法（DSC）和热分析法（TA） ②TG分析 ③扫描电镜（SEM） ④时间－温度曲线）①差示扫描量热法(DSC)和热分析法( TA), 研究此性能常用的方法有DSC 法和TA 法，DSC 法和TA 法都可以测试出相变材料的熔点( 范围) 、冰点( 范围) 以及相变材料的过冷度。另外, DSC 分析还可以提供熔解热、固化热等反应材料性能的重要数据; TA分析可以反应出新相的形成和分离现象。 ②TG 分析 在研究相变储能材料稳定性和储热能力时, 经常用到TG 分析法。通过TG 检测, 从其曲线中可以看出相变材料在不同温度范围内的挥发和储热放热能力。 ③扫描电镜（SEM） 扫描电镜可以对制备出的相变材料断面进行观测,以确定其结构的均匀性和稳定性。 ④时间－温度曲线法 时间－温度曲线法属于非稳态法测量导热系数的方法,可以同时测量相变储能材料的潜热、相变温度、导热系数等多个物性, 并且克服了以往在测量导热系数时只能测定特定形状的固态物质的不足, 它可以用来测量任何形状形态物质的导热系数。 9.相变储能材料的应用 （1）在太阳能方面的应用 （2）工业余热利用 （3）在建筑方面的应用 名词解释： 1.新能源：P2第一行 2.新能源材料：P4第一行 3.P型半导体：P117倒数第三行 4.N型半导体：P118第一行 5.光生载流子：用光照射半导体时，若光子的能量等于或大于半导体的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子后进入导带，产生电子-空穴对。这种类型的载流子称为光生载流子指单位质量的物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。是一种将化石燃料中的化学能通过电极反应直接转换为电能的电化学装置，是目前最有前景的分布式电源之一。P-N结的形成原理：本资料第三页19 2.锂离子电池对正、负极材料的要求：本资料第五页3 3.锂离子电池的正极材料：P53下 4.固态氧化物燃料电池常用的电解质：稳定化的氧化锆、氧化铋系、镧镓氧化物系 5.固态氧化物燃料电池的电解质材料的特点和要求：本资料第七页8.（3）（4） 6.燃料电池与其他电池的区别及其优越性： （1）区别： ①其他电池使用过程中有充放电循环，而燃料电池无充放电循环； ②其他电池是二次电池，而燃料电池是一次电池； ③其他电池无持续供给燃料，并在电池内有可逆反应发生，而燃料电池中的反应物为持续供给； ④其他电池的电解质一般为酸、碱、盐的水溶液或其他介质溶液，燃料电池的电解质则可以为固体或熔盐等（如SOFC的电解质可以为固体氧化物）、 ⑤其他电池使用温度一般为室温，而不同种类的燃料电池可在许多特定的温度下运行（取决于电解质的工作温度），如SOFC需要在600-1000摄氏度下工作； （2）优点：本资料第八页第四章2 7.锂离子电池的电极反应和工作原理：P45 8.锂电池与锂离子电池的联系与区别： 联系：P43总结一下 区别：本资料第五页第三章1 9.无机相变储能材料：本资料第十三页5.（2）或P203 10.太阳电池的特性：本资料第五页7 11.影响Ni(OH)2电化学性能的因素：（P35~P36黑字标题） 12.举例说明几项新能源材料的应用：(P4~P5黑字) 13.燃料电池催化剂的作用，列举几种燃料电池的催化剂 作用：能够使燃料电池阳极的氢原子分解成两个氢质子与两个电子，其中质子被氧『吸引』到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。提高反应速率，降低反应对体系环境的要求，减少能量需求，降低成本。 15

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