1、1,新能源材料,New Energy Materials,熊小庆纺织与材料工程学院,2,主要分类太阳能电池材料锂离子电池材料裂变反应堆材料,3,能源是人类社会生存和发展的重要物质基础,是现代文明的三大支柱之一。目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。,煤炭开采,海上石油开采平台,严重的生态破坏,4,生态环境严重破坏：,1952年12月，伦敦烟雾；酸雨；河流干涸；,5,6,巨大的能源危机：已开采800亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明的1770亿吨石油储量仅够开采50年;已探明的173万亿立方米天然气仅够
2、开采63年；已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400 年;已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座核电站每年消耗6万多吨浓缩铀，仅够使用100年左右。 世界各国水能开发也已近饱和，风能、太阳能尚无法满足人类庞大的需求。,7,我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦；2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力涡轮机，成为世界最大的风能生产国。尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只占据中国电力消耗总量的1% 。,8,为缓解和解决能源
3、危机，科学家提出资源与能源最充分利用技术和环境最小负担技术。新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。新能源的发展必须靠利用新的原理来发展新的能源系统，同时还必须靠新材料的开发与利用才能使新系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。 发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。,9,新能源包括太阳能生物质能核能风能地热海洋能氢能,太阳能,氢能,风能,潮汐能,地热,核能,10,新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需的关键材料，主要包括：硅半导体为代表的太阳能电池材料储氢合金为代表的储氢材料锂离子电池为代表的二次电池材料质子交换膜电池为代表的燃料电池材料铀、氘、氚为代表的反应堆
4、核能材料-,11,主要特点新能源材料能把原来使用的能源转变成新能源；新能源材料可提高贮能效率，有效进行能量转换；新能源材料可以增加能源利用的新途径。,内蒙古四王子旗太阳能电池光伏电站,太阳能热水器,12,太阳能电池材料,13,太阳能在未来能源结构中占有重要地位：地球上一年接受的太阳能总量为3.81018kW，远大于人类对能源的需求量；分布广泛，不需要开采和运输；不存在枯竭问题，可以长期利用；安全卫生，对环境无污染等。,人造卫星上的太阳能电池,14,西班牙塞维利亚太阳能发电站欧洲最大的太阳能电站，可供18万户使用，每年减排60万吨CO2。,槽式太阳能,蝶式太阳能,16,通过光电转化将太阳辐射能转
5、化为电能加以利用是太阳能利用中最活跃的研究领域。,清华大学电力国家重点实验室太阳能电池开发综合利用系统,17,太阳能光电转化的核心装置是太阳电池。太阳电池的工作原理是光伏效应：太阳光照在半导体p-n结上，形成空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。,光伏效应示意图,太阳能电池,18,全球最大规模的光伏太阳能发电项目鄂尔多斯市政府与美国first solar公司共建2000兆瓦太阳能光伏发电厂。,19,世博中国馆、主题馆，世博中心、演艺中心等永久建筑的屋顶和玻璃幕墙上安装总装机容量超过4.68兆瓦的太
6、阳能电池，每年能减排二氧化碳4000吨。主题馆屋面太阳能板面积达3万多平方米，是目前世界最大的单体面积太阳能屋面，年发电量280万度，每年减排二氧化碳2800吨，节约标准煤1000多吨。,世博中国馆,世博主题馆,20,2011年5月，世界首架无污染太阳能飞机进行跨国飞行(从瑞士飞抵布鲁塞尔需13小时)，飞行高度可达8700米，平均飞行速度为70-120公里/小时。用超轻碳纤维材料制成，总重1.6吨，由4台小型电力发动机驱动，机翼配备1.2万个太阳能电池板，翼展长度大约64米。,21,晶体硅太阳能电池,晶体硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积pn结，在p型硅片上制作很薄的掺杂n型层，在n型层上
7、制作金属栅线作为正面接触电极，在背面制作金属膜作为背面接触电极。晶体硅太阳电池具有性能稳定、资源丰富、无毒性等优点，是目前市场上的主导产品。,单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池,22,非晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池是以非晶硅为基体的薄膜太阳电池，电池效率已达到13；世界总组件生产能力达到每年50MW，应用规模从手表、计算机等消费品用电源发展到兆瓦级的独立电站。,非晶硅太阳能电池,23,化合物太阳能电池,化合物太阳电池所用材料包括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，制成的薄膜太阳电池转换效率高、成本低、易于大规模生产。III-V族化合物包括GaAs和
8、InP等，可制成薄膜太阳电池，转换效率高、抗辐照性能好，是较理想的空间太阳电池。,太空站上的GaAs太阳电池,高原用的GdTe太阳电池,24,纳米太阳电池,纳米太阳电池(简称NPC电池)是一种由镀有透明导电膜的导电玻璃、多孔纳米TiO2、染料光敏化剂、固体电解质膜以及铂电极组成的一种光电化学式电池。,纳米太阳电池的结构,25,中国尚德电力和澳大利亚斯威本科技大学已研制出最高效的宽波段纳米薄膜太阳电池，光电转化效率为8.1%。为捕获更多太阳光，将金/银纳米粒子嵌入薄膜中，增加电池可吸收太阳光的波长范围，提高光子转化电子效率；进一步使用有核的或表面凹凸不平的纳米粒子，大幅提高薄膜的比表面积。,Ch
9、en X, Jia B, Saha J K, et al. Broadband enhancement in thin-film amorphous silicon solar cells enabled by nucleated silver nanoparticlesJ. Nano letters, 2012, 12(5): 2187-2192.,26,锂离子电池材料,27,一次电池使用后常随普通垃圾一起被丢弃或掩埋，造成资源浪费，同时电池中的重金属元素泄露也会污染地下水和土壤。二次电池或蓄电池：放电时通过化学反应产生电能，充电时则使体系回复到原来状态，将电能以化学能形式重新储存起来。,镍
10、氢充电电池,Li离子充电电池,28,传统二次电池如铅酸电池和镉镍电池理论比能量低，且铅和镉都是有毒金属，对环境污染极大。目前应用较广的是镍氢电池(表示为Ni/MH电池)和锂离子电池(表示为LIB电池)，不但性能优良，而且污染较小，被称为绿色电池。,铅酸蓄电池,NiCd充电电池,29,Ni/MH镍氢二次电池,Ni/MH电池的正极材料采用Ni(OH)2，负极材料为储氢合金，电解质为KOH水溶液。与Ni/Cd电池相比，Ni/MH电池具有以下优点：能量密度是Ni/Cd电池的1.5-2倍；充放电速率高；耐过充和过放性能好；使用寿命长；低温性能好；无Cd元素对环境的污染。,Ni/MH二次电池,30,Ni/
11、MH电池开发重点是大功率、高容量方向。国际上主要汽车公司如GM、Ford和Toyota等相继开发出Ni/MH电动汽车和混合电动汽车，GM公司生产的Ni/MH电池动力车，单次充电后可行驶225km，时速为150公里。,GM生产的EVI汽车，用26个12V的电池，3小时充电后时速可达到150公里,31,LIB锂离子二次电池,Li是最轻的金属元素，它的标准电极电位是-3.045V，是金属中负电位最大的元素，因此Li负极电池的开发受到极大重视，与Ni/MH电池性能的比较如下。,普通Ni/MH，LIB及Ni/Cd电池性能比较,32,LIB电池具有工作电压高、比能量高、容量大、循环特性好、重量轻、体积小等
12、优点，而且LIB无记忆效应，不需将电放尽后再充电；LIB自放电小，每月在10以下，Ni/MH电池自放电一般为30-40。仅2000年，日本就销售了4亿多只Li电池。,移动电话Li电池,数码相机Li电池,笔记本Li电池,33,裂变反应堆材料,1964年10月16日成功地爆炸了第一颗原子弹。,1967年6月17日又成功地爆炸了第一颗氢弹。,通用核医学,核医学是医学的一个分支，它使用小剂量的放射性物质诊断或治疗各种疾病,核武器,广岛市80的建筑物化为灰烬，6.8万人当场丧生，5年后因原子弹死亡人数达到24.7万人；长崎市60的建筑物被摧毁，当场伤亡8.6万人，5年后共死亡14万人。该地区核爆炸的幸存
13、者也不同程度受到放射性污染，患了各种怪异的后遗症，在随后几年中，又有大批人痛苦地死去。,惨痛的历史,核能：在原子核发生变化时放出的能量。获得核能的两条途径是： (1)重核的裂变：原子弹 (2)轻核的聚变：氢弹,1、核能,2、核能的主要优点,1、核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。 2、核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。3、核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。,3、核能的原料,铀 : 1896年法国物理学
14、家贝可勒尔发现铀具有天然放射性。,二、核能与核能利用,核裂变(nuclear fission)是大核分裂为小核的过程. 普通的核武器和核电站都依赖于裂变过程产生的能量。,铀-235的裂变与核武器,发生链反应,爆炸,足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(critical mass)。 铀-235 的临界质量约为 1 kg，质量超过1 kg 则发生爆炸。,任何有核反应堆的国家都不难得到爆炸级的裂变材料，原子弹的基本设计又如此简单，从而为防止核武器扩散带来了困难。,核反应堆,通过受控核裂变反应获得核能的装置，可使裂变产生的中子数等于各种过程消耗的中子数, 以形成所谓的自持链反应(self-
15、sustaining chain reaction)。,能源利用与开发,美国109座, 供电量占全国21%；法国56座, 80%；日本，德国，俄罗斯，加拿大均有大量的核电站。,秦山核电站(30万千瓦)，1991年12月15日并网发电,能源利用与开发,大亚湾核电站(290万千瓦)台湾6座, 40,坐落于浙江海盐县秦山双龙岗的鸟瞰图,1、核辐射环境影响事例,切尔诺贝利事故的回顾,核灾害,主要是核战争；军事冲突中发生的核爆炸；针对少量特殊目标的军事核打击 (被称为“外科手术”)； 恐怖分子制造核爆炸摧毁城市；在有人居住的地区造成显著的核污染； 意外暴露的核武器或其他核武器发生的意外； 民用核设施发生的严重意外，例如核电站。,50,谢谢！,
