新型能源材料

1、1,新能源材料,New Energy Materials,熊小慶紡織與材料工程學(xué)院,2,主要分類太陽能電池材料鋰離子電池材料裂變反應(yīng)堆材料,3,能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是現(xiàn)代文明的三大支柱之一。目前，世界能源消耗還是以煤、石油、天然氣之類的礦物能源為主，不但嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，而且礦物能源不可再生，能源枯竭已成為共識。,煤炭開采,海上石油開采平臺,嚴(yán)重的生態(tài)破壞,4,生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞：,1952年12月，倫敦?zé)熿F

2、；酸雨；河流干涸；,,5,6,巨大的能源危機(jī)：已開采800億噸石油，按現(xiàn)在的開采速度， 地球上已探明的1770億噸石油儲量僅夠開采50年;已探明的173萬億立方米天然氣僅夠開采63年；已探明的9827億噸煤炭還可用300年到400 年;已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸，全球441座核電站每年消耗6萬多噸濃縮鈾，僅夠使用100年左右。 世界各國水能開發(fā)也已近飽和，風(fēng)能、太陽能尚無法滿足人類龐大的需求。,7,我國

3、作為發(fā)展中大國，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源結(jié)構(gòu)也不合理。2009年，中國風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到了25.8億瓦，超過了德國的25.77億瓦，僅次于美國35億瓦；2020年，中國將投入足以實(shí)現(xiàn)年發(fā)電量150億瓦的風(fēng)力渦輪機(jī)，成為世界最大的風(fēng)能生產(chǎn)國。盡管在新能源領(lǐng)域有了大規(guī)模的增長，但風(fēng)力發(fā)電量只占據(jù)中國電力消耗總量的1% 。,8,為緩解和解決能源危機(jī)，科學(xué)家提出資源與能源最充分利用技術(shù)和環(huán)境最小負(fù)擔(dān)技術(shù)。新能源與新能源材料是兩大技

4、術(shù)的重要組成部分。新能源的發(fā)展必須靠利用新的原理來發(fā)展新的能源系統(tǒng)，同時(shí)還必須靠新材料的開發(fā)與利用才能使新系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并提高其利用效率，降低成本。 發(fā)展新能源材料是解決能源危機(jī)的根本途徑。,9,新能源包括太陽能生物質(zhì)能核能風(fēng)能地?zé)岷Ｑ竽軞淠?太陽能,氫能,風(fēng)能,潮汐能,地?zé)?核能,10,新能源材料是指能實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)所需的關(guān)鍵材料，主要包括：硅半導(dǎo)體為代表的太陽能電池材料儲氫合金為代表的

5、儲氫材料鋰離子電池為代表的二次電池材料質(zhì)子交換膜電池為代表的燃料電池材料鈾、氘、氚為代表的反應(yīng)堆核能材料-------------,11,主要特點(diǎn)新能源材料能把原來使用的能源轉(zhuǎn)變成新能源；新能源材料可提高貯能效率，有效進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換；新能源材料可以增加能源利用的新途徑。,內(nèi)蒙古四王子旗太陽能電池光伏電站,太陽能熱水器,12,太陽能電池材料,13,太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位：地球上一年接受的太陽能總量為3.8

6、5;1018kW，遠(yuǎn)大于人類對能源的需求量；分布廣泛，不需要開采和運(yùn)輸；不存在枯竭問題，可以長期利用；安全衛(wèi)生，對環(huán)境無污染等。,人造衛(wèi)星上的太陽能電池,14,西班牙塞維利亞太陽能發(fā)電站—?dú)W洲最大的太陽能電站，可供18萬戶使用，每年減排60萬噸CO2。,槽式太陽能,蝶式太陽能,16,通過光電轉(zhuǎn)化將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能加以利用是太陽能利用中最活躍的研究領(lǐng)域。,清華大學(xué)電力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室太陽能電池開發(fā)綜合利用系統(tǒng),17,太陽能光電轉(zhuǎn)

7、化的核心裝置是太陽電池。太陽電池的工作原理是光伏效應(yīng)：太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成空穴-電子對，在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。,光伏效應(yīng)示意圖,太陽能電池,18,全球最大規(guī)模的光伏太陽能發(fā)電項(xiàng)目—鄂爾多斯市政府與美國first solar公司共建2000兆瓦太陽能光伏發(fā)電廠。,19,世博中國館、主題館，世博中心、演藝中心等永久建筑的屋頂和玻

8、璃幕墻上安裝總裝機(jī)容量超過4.68兆瓦的太陽能電池，每年能減排二氧化碳4000噸。主題館屋面太陽能板面積達(dá)3萬多平方米，是目前世界最大的單體面積太陽能屋面，年發(fā)電量280萬度，每年減排二氧化碳2800噸，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1000多噸。,世博中國館,世博主題館,20,2011年5月，世界首架無污染太陽能飛機(jī)進(jìn)行跨國飛行(從瑞士飛抵布魯塞爾需13小時(shí))，飛行高度可達(dá)8700米，平均飛行速度為70-120公里/小時(shí)。用超輕碳纖維材料制成，總重1

9、.6噸，由4臺小型電力發(fā)動機(jī)驅(qū)動，機(jī)翼配備1.2萬個(gè)太陽能電池板，翼展長度大約64米。,21,晶體硅太陽能電池,晶體硅太陽電池是以硅半導(dǎo)體材料制成的大面積pn結(jié)，在p型硅片上制作很薄的摻雜n型層，在n型層上制作金屬柵線作為正面接觸電極，在背面制作金屬膜作為背面接觸電極。晶體硅太陽電池具有性能穩(wěn)定、資源豐富、無毒性等優(yōu)點(diǎn)，是目前市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品。,單晶硅太陽能電池,多晶硅太陽能電池,22,非晶硅太陽電池,非晶硅太陽電池是以非晶硅為基體的

10、薄膜太陽電池，電池效率已達(dá)到13％；世界總組件生產(chǎn)能力達(dá)到每年50MW，應(yīng)用規(guī)模從手表、計(jì)算機(jī)等消費(fèi)品用電源發(fā)展到兆瓦級的獨(dú)立電站。,非晶硅太陽能電池,23,化合物太陽能電池,化合物太陽電池所用材料包括II-VI族化合物和III-V族化合物。II-VI族化合物包括CdTe和CdS等，制成的薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率高、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)。III-V族化合物包括GaAs和InP等，可制成薄膜太陽電池，轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照性能好，是較理想的

11、空間太陽電池。,太空站上的GaAs太陽電池,高原用的GdTe太陽電池,24,納米太陽電池,納米太陽電池(簡稱NPC電池)是一種由鍍有透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電玻璃、多孔納米TiO2、染料光敏化劑、固體電解質(zhì)膜以及鉑電極組成的一種光電化學(xué)式電池。,納米太陽電池的結(jié)構(gòu),25,中國尚德電力和澳大利亞斯威本科技大學(xué)已研制出最高效的寬波段納米薄膜太陽電池，光電轉(zhuǎn)化效率為8.1%。為捕獲更多太陽光，將金/銀納米粒子嵌入薄膜中，增加電池可吸收太陽光的波長范圍

12、，提高光子轉(zhuǎn)化電子效率；進(jìn)一步使用有核的或表面凹凸不平的納米粒子，大幅提高薄膜的比表面積。,Chen X, Jia B, Saha J K, et al. Broadband enhancement in thin-film amorphous silicon solar cells enabled by nucleated silver nanoparticles[J]. Nano letters, 2012, 12(5): 218

13、7-2192.,26,鋰離子電池材料,27,一次電池使用后常隨普通垃圾一起被丟棄或掩埋，造成資源浪費(fèi)，同時(shí)電池中的重金屬元素泄露也會污染地下水和土壤。二次電池或蓄電池：放電時(shí)通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，充電時(shí)則使體系回復(fù)到原來狀態(tài)，將電能以化學(xué)能形式重新儲存起來。,鎳氫充電電池,Li離子充電電池,28,傳統(tǒng)二次電池如鉛酸電池和鎘鎳電池理論比能量低，且鉛和鎘都是有毒金屬，對環(huán)境污染極大。目前應(yīng)用較廣的是鎳氫電池(表示為Ni/MH電池)和鋰離

14、子電池(表示為LIB電池)，不但性能優(yōu)良，而且污染較小，被稱為綠色電池。,鉛酸蓄電池,NiCd充電電池,29,Ni/MH鎳氫二次電池,Ni/MH電池的正極材料采用Ni(OH)2，負(fù)極材料為儲氫合金，電解質(zhì)為KOH水溶液。與Ni/Cd電池相比，Ni/MH電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：能量密度是Ni/Cd電池的1.5-2倍；充放電速率高；耐過充和過放性能好；使用壽命長；低溫性能好；無Cd元素對環(huán)境的污染。,Ni/MH二次電池,30,Ni/

15、MH電池開發(fā)重點(diǎn)是大功率、高容量方向。國際上主要汽車公司如GM、Ford和Toyota等相繼開發(fā)出Ni/MH電動汽車和混合電動汽車，GM公司生產(chǎn)的Ni/MH電池動力車，單次充電后可行駛225km，時(shí)速為150公里。,GM生產(chǎn)的EVI汽車，用26個(gè)12V的電池，3小時(shí)充電后時(shí)速可達(dá)到150公里,31,LIB鋰離子二次電池,Li是最輕的金屬元素，它的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-3.045V，是金屬中負(fù)電位最大的元素，因此Li負(fù)極電池的開發(fā)受到極大重視

16、，與Ni/MH電池性能的比較如下。,普通Ni/MH，LIB及Ni/Cd電池性能比較,32,LIB電池具有工作電壓高、比能量高、容量大、循環(huán)特性好、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，而且LIB無記憶效應(yīng)，不需將電放盡后再充電；LIB自放電小，每月在10％以下，Ni/MH電池自放電一般為30％-40％。僅2000年，日本就銷售了4億多只Li電池。,移動電話Li電池,數(shù)碼相機(jī)Li電池,筆記本Li電池,33,裂變反應(yīng)堆材料,1964年10月16日成功地爆

17、炸了第一顆原子彈。,1967年6月17日又成功地爆炸了第一顆氫彈。,通用核醫(yī)學(xué),核醫(yī)學(xué)是醫(yī)學(xué)的一個(gè)分支，它使用小劑量的放射性物質(zhì)診斷或治療各種疾病,核武器,廣島市80％的建筑物化為灰燼，6.8萬人當(dāng)場喪生，5年后因原子彈死亡人數(shù)達(dá)到24.7萬人；長崎市60％的建筑物被摧毀，當(dāng)場傷亡8.6萬人，5年后共死亡14萬人。該地區(qū)核爆炸的幸存者也不同程度受到放射性污染，患了各種怪異的后遺癥，在隨后幾年中，又有大批人痛苦地死去。,慘痛的歷史,核能：

18、在原子核發(fā)生變化時(shí)放出的能量。獲得核能的兩條途徑是： (1)重核的裂變：原子彈 (2)輕核的聚變：氫彈,,,1、核能,2、核能的主要優(yōu)點(diǎn),1、核能發(fā)電不像化石燃料發(fā)電那樣排放巨量的污染物質(zhì)到大氣中，因此核能發(fā)電不會造成空氣污染。 　2、核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，核能電廠所使用的燃料體積小，運(yùn)輸與儲存都很方便，一座1000百萬瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料，一航次的飛機(jī)就可以完成運(yùn)送。3、核能發(fā)電不會產(chǎn)生

19、加重地球溫室效應(yīng)的二氧化碳。,3、核能的原料,鈾 : 1896年法國物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾具有天然放射性。,二、核能與核能利用,核裂變(nuclear fission)是大核分裂為小核的過程. 普通的核武器和核電站都依賴于裂變過程產(chǎn)生的能量。,鈾-235的裂變與核武器,,,發(fā)生鏈反應(yīng),爆炸,,,,,,,,足以維持鏈反應(yīng)正常進(jìn)行的裂變材料質(zhì)量叫臨界質(zhì)量(critical mass)。 鈾-235 的臨界質(zhì)量約為 1 kg，質(zhì)量超過1 kg

20、 則發(fā)生爆炸。,任何有核反應(yīng)堆的國家都不難得到爆炸級的裂變材料，原子彈的基本設(shè)計(jì)又如此簡單，從而為防止核武器擴(kuò)散帶來了困難。,核反應(yīng)堆,通過受控核裂變反應(yīng)獲得核能的裝置，可使裂變產(chǎn)生的中子數(shù)等于各種過程消耗的中子數(shù), 以形成所謂的自持鏈反應(yīng)(self-sustaining chain reaction)。,,能源利用與開發(fā),美國109座, 供電量占全國21%；法國56座, 80%；日本，德國，俄羅斯，加拿大均有大量的核電站。,,秦山

21、核電站(30萬千瓦)，1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電,能源利用與開發(fā),大亞灣核電站(2×90萬千瓦)臺灣6座, 40％,坐落于浙江海鹽縣秦山雙龍崗的鳥瞰圖,1、核輻射環(huán)境影響事例,切爾諾貝利事故的回顧,核災(zāi)害,主要是核戰(zhàn)爭；軍事沖突中發(fā)生的核爆炸；針對少量特殊目標(biāo)的軍事核打擊 (被稱為“外科手術(shù)”)； 恐怖分子制造核爆炸摧毀城市；在有人居住的地區(qū)造成顯著的核污染； 意外暴露的核武器或其他核武器發(fā)生的意外； 民用核