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1、能源材料 Energy Materials,4,未来能源的出路到底在何方?,能源材料根据其功能不同,可分为能源存储材料和能源转化材料。,能源存储材料:蓄电电池和电容材料,储氢材料,相变储能材料等 能源转换材料:太阳能电池,燃料电池,热电转换等,6,加快新型能源的开发和现有能源的高效利用,核电,水电,风电,太阳能,余热发电,机械震动发电等等 高性能锂电池,金属空气电池,燃料电池,超级电容器等,7,一、电池材料,化学原电池是储存电能的装置,8,9,各种电池比较,10,11,镍氢电池,锂离子电池,新型二次电池,12,1.金属氢化物镍电池,镍氢电池是新型的二次电池。 20世纪60年代末,发现储氢合金。
2、储氢合金在吸放氢的过程中伴有电化学效应、热效应等。 1974年开始储氢合金作为二次电池负极材料。 1987年试生产镍氢电池。 1990年,镍氢电池商业化。,13,镍氢电池由正极,负极,隔膜纸,电解液,钢壳,顶盖,密封圈等组成; 氢氧化镍正极,储氢合金负极,正负极用隔膜纸分开卷绕密封在钢壳中; 电解质由水溶液组成,其主要成分为KOH,KOH不仅起到离子迁移作用,而且参与电极反应; 利用氢的吸收和释放的电化学反应。,14,15,电极材料 正极材料球形Ni(OH)2 正极材料 Ni(OH)2是涂覆式。 电极充电时Ni(OH)2转变成NiOOH,Ni2+被氧化成Ni3+ 电极放电时NiOOH逆变成Ni
3、(OH)2, Ni3+还原成Ni2+,16,负极材料储氢合金(MH) 用于NiMH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件: (a) 电化学储氢容量高; (b) 在热碱电解质溶液中合金组分化学性质相对稳定; (c) 反复充放电过程中合金不易粉化; (d) 合金应有良好的电和热的传导性; (e) 原材料成本低廉。,17,在圆柱形电池中,正负极用隔膜纸分开卷绕在一起,密封在钢壳中;在方形电池中,正负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中。,18,镍氢电池的优、缺点,循环寿命长,充放电500次; 电池自放电速度较大,大电流快速充放电; NiMH电池工作电压1.2V,与NiCd电池具 有互换性等独特优势;
4、绿色电池,镍氢电池前景乐观,取代镍镉电池; 初始成本较高; 受温度影响明显,040摄氏度工作效果较好; 有爆炸的可能性。,19,2.锂离子(Li-ion)电池,锂是自然界最轻的金属元素,具有最低的电负性(-3.045V)。选择适当的正极与之匹配,可以获得较高的电动势,具有最高的比能量(单位重量电极物质所能放出的能量)。,20,21,1980年,M. Armand等人首先提出用嵌锂化合物来代替二次锂电池中的金属锂负极,并提出“摇椅式电池” 的概念。 1990年日本Sony公司研制出以石油焦为负极、LiCoO2为正极的锂离子二次电池 。 1997年由美国德克萨斯州立大学的研究小组首次报道了LiFe
5、PO4具有可逆脱嵌锂的特性。 目前也有用LiVO2等正极材料的锂离子电池。 近年来国外也有报道用Mg2SnO4, Zn2SnO4为正极材料的锂离子电池。,22,锂离子电池 依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电池时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。,23,锂离子电池电极反应,24,锂离子电池的组成,25,26,27,28,层状结构材料( LiCoO2、 LiNiO2等),29,总之,作为锂离子电池正极材料,LiCoO2具有下列特点: 1. 合成方法比较简单; 2. 工作电压高,充放电电压平稳,循环性
6、能好; 3. 实际容量较低,只有理论容量的一半; 4. 钴资源有限,价格昂贵; 5. 钴毒性较大,环境污染大,其他锂盐目前也研究的较多,例如镍酸锂,锰酸锂等,其中磷酸铁锂具有重要应用前景,30,负极材料 对锂离子电池负极的负极材料的要求: (1)正负极的电化学位差大,从而可获得高功率电池; (2)锂离子的嵌入反应自由能变化小; (3)锂离子的可逆容量大,锂离子嵌入量的多少对电极电位影响不大,这样可以保证电池稳定的工作电压; (4)高度可逆嵌入反应,良好的电导率,热力学稳定的同时还不与电解质发生反应; (5)循环性好,具有较长循环寿命; (6)材料的结构稳定、制作工艺简单、成本低.,31,几种主
7、要的负极材料,自从锂离子电池诞生以来,研究的有关负极材料主要有以下几种:石墨化碳材料、无定形碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金、纳米氧化物和其它材料。,32,33,34,35,36,37,二、超电容材料,双电层电容器(EDLC)或超级电容器,是一种拥有高能量密度的电化学电容器,比传统的电解电容容量高上数百偣至千倍不等 。 截至在2010年,最高商业化 EDLC 的比能量为30 Wh/kg 。高达85 Wh/kg已在室温下在实验室中实现,但仍然比锂电池低 2011年,实验室中 EDLC 的能量密度提高了一个数量级。EDLC的价格亦正在下降:在2000年成本为5000美元的3 kF电容在
8、2011年只需50美元。 EDLC 主要用于能源储存,而不是通用电路元件,特别适用于在精密能源控制和瞬间负载设备中。,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,根据电极材料的不同,超级电容器可以分为以下四种: (1)碳电极电容; (2)金属氧化物电极电容; (3)导电聚合物电极电容; (4)复合材料电极电容,48,1.碳电极电容,49,Hierarchically porous monolith,50,51,52,53,54,例子2.快速充放电碳电极超电容,55,56,三、储氢材料,57,Diversification of powertrains and fuels,58,
9、59,Typical operating regimes for various hydrogen storage technologies,60,Four elements of materials chemistry,61,The Challenge of the Light Periodic Table,62,Targeted range of bond strengths for hydrogen release,63,64,65,(1)氢会与某些过渡金属或合金形成金属氢化物。 (2)常温下,1体积海绵钯可吸收900体积氢气,1体积胶体钯可吸收1200体积氢气,1体积胶状铑能吸收290
10、0体积氢气。 (3)在一定温度和压力下,贮氢合金能多次吸收、贮存和释放氢气,像海绵吸水一样,大量吸氢。 (4)贮氢合金中的一个金属原子能在低温低压下和两、三个甚至更多氢原子结合,生成稳定金属氢化物,同时放热量。 (5)当温度升高或体系氢压降低时,氢化物发生分解,吸收热量后,又可将吸收的氢气释放出来。 (6)贮氢合金具有储存量高、可逆、安全等优点。,66,67,金属的晶体结构 (Crystal Structure of Metals),体心立方,面心立方,六方,68,69,70,71,72,73,四、能源转换材料,自然界中的能源以多种形式存在,例如太阳能,热能,风能,潮汐能,海洋能等,如何将这些
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