未来的新型能源材料.docx

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未来的新型能源材料

未来的新型能源材料

　　篇一：

未来的几种新能源材料　　摘要：

　　新能源技术离不开新材料技术，太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物燃料电池材料等是在未来具有发展潜力的几种新能源材料。

太阳能电池根据材料不同可分为：

硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；功能高分子材料制备的大阳能电池；纳米晶太阳能电池等。

储氢材料有金属氢化物、有机氢化物和利用分子力吸附储氢的材料等。

固体氧化物燃料电池主要由阴阳电极、固体氧化物电解质、连接体以及密封材料构成。

　　关键词：

　　新能源材料太阳能电池储氢材料固体氧化物燃料电池

　　正文：

　　新能源技术是指在新技术基础上，系统地开发利用的可再生能源，如核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等。

新能源新材料是在环保理念推出之后引发的对不可再生资源节约利用的一种新的科技理念，新能源新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。

新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。

今天我所要讨论的是在未来具有发展潜力的几种新能源材料，包括太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物燃料电池材料等。

　　制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：

硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；功能高分子材料制备的大阳能电池；纳米晶太阳能电池等。

　　硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。

提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。

然而，由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。

为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

　　砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。

GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的电池材料。

铜铟硒CuInSe2简称CIC，CIS材料的能降为，适于太阳光的光电转换，另外，CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。

因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。

　　在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制备

　　的研究方向，其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料表面进行多层复合，制成类似无机P-N结的单向导电装置。

由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。

但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比，能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。

　　纳米晶化学太阳能电池是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极，此外NPC电池还选用适当的氧化—还原电解质。

纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。

其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10，寿命能达到20年以上，但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。

　　不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：

半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产且材料性能稳定。

基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。

但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。

　　氢能，即氢气中所含有的能量。

具有环境友好、资源丰富、热值高、燃烧性能好、潜在经济效益高等特点。

但是，氢能的使用至今未能商业化，主要的制约因素就是存储问题难以解决。

因此，氢能的利用和研究成为是当今科学研究的热点之一。

而寻找性能优越、安全性高、价格低廉、环保的储氢材料则成为氢能研究的关键。

目前，氢可以以高压气态液态、金属氢化物、有机氢化物和物理化学吸附等形式储存。

　　高压气态液态储氢发展的历史较早，是比较传统而成熟的方法，无需任何材料做载体，只需耐压或绝热的容器就行，但是储氢效率很低，加压到15MPa时质量储氢密度不超过3%。

而且存在很大的安全隐患，成本也很高。

　　金属氢化物储氢的原理是氢原子进入金属价键结构形成氢化物。

有稀土镧镍、钛铁合金、镁系合金、钒、铌、锆等多元素系合金。

具体有NaH-Al-Ti、Li3N-LiNH2、MgB2-LiH、MgH2-Cr2O3及Ni（Cu,Rh）-Cr-FeOx等物质，质量储氢密度为2%-5%。

金属氢化物储氢具有高体积储氢密度和高安全性等优点。

在较低的压力（1×106Pa）下具有较高的储氢能力,可达到100kg/m3以上。

但是，金属氢化物储氢最大的缺点是金属密度很大，导致氢的质量百分含量很低，一般只有2%-5%，而且释放氢时需要吸热，储氢成本偏高。

　　目前大量的储氢研究是基于物理化学吸附的储氢方法。

物理吸附是基于吸附剂的表面力场作用，根源于气体分子和固体表面原子电荷分布的共振波动，维系吸附的作用力是范德华力。

吸附储氢的材料有碳质材料、金属有机骨架（MOFs）材料和沸石咪唑酯骨架结构（ZIFs）材料、微孔/介孔沸石分子筛等矿物储氢材料。

　　简言之，各种储氢材料各有千秋，若兼顾安全、成本、容量考虑，还没有一种能达到国际能源协会或美国XX年的目标，尤其是在成本方面。

然而，利用

　　矿物储氢可以降低成本，且改性后能有效提高储氢容量，具有很好的开发前景。

其中，凹凸棒石的特殊结构凸显出其在储氢方面的优势。

　　固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，适用于大型发电厂及工业应用。

　　SOFC采用固体氧化物作为电解质，在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起着传导O2-和分隔氧化剂与燃料的作用。

在阴极，氧分子得到电子还原为氧离子；氧离子在电解质隔膜两侧电势差与氧浓度差驱动力的作用下，通过电解质隔膜中的氧空位，定向跃迁到阳极侧，并与燃料进行氧化反应。

　　SOFC的优点是具有较高的电流密度和功率密度；阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降；可直接使用氢气、烃类（甲烷）、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统；广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构；陶瓷电解质要求中、高温运行（600～1000℃），加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。

　　SOFC主要由阴阳电极、固体氧化物电解质、连接体以及密封材料构成。

在SOFC中，阳极通常由金属镍及氧化钇稳定的氧化锆骨架组成。

这种复相材料是目前固体氧化物燃料电池（SOFC）阳极材料的最佳选择。

在Ni中加入YSZ的目的是使发生电化学反应的三相界向空间扩展，即实现电极的立体化，并在SOFC的操作温度下保持阳极的多孔结构及调整电极的热膨胀系数使其与其它电池组件相匹配。

在这种金属陶瓷复合阳极中，YSZ作为金属Ni的载体，可有效地防止在SOFC操作过程中金属粒子粗化。

Ni和YSZ在还原气氛中均具有较高的化学稳定性，并且在室温至SOFC操作温度范围内无相变产生。

Ni-YSZ在1000℃以下几乎不与电解质YSZ及连接材料LaCrO3发生反应。

　　Ni-YSZ金属陶瓷阳极的导电率和其中的Ni含量密切相关。

当Ni的比例低于30％时Ni-YSZ金属陶瓷的导电性能与YSZ相似，说明此时通过YSZ相的离子导电占主导地位；但当Ni的含量高于30％时，由于Ni粒子互相连接构成电子导电通道，使Ni-YSZ复合物的电导率增大三个数量级以上，说明此时Ni金属的电子电导在整个复合物电导中占主导地位。

　　Sr掺杂的LaMnO3是最佳的阴极材料。

LSM具有在氧化气氛中电子电导率高﹑与YSZ化学相容性好等特点通过修饰可以调整其热膨胀系数，使之与其他电池材料相匹配。

　　连接体是SOFC的关键部件之一，其性能优劣直接制约电池的性能和使用寿命。

高温型SOFC的工作温度为1000℃左右。

近年来，随着阳极支撑平板式SOFC研制成功，新型电解质膜从原来的200m降到20m，解决了电解质欧姆极化过高的问题，使SOFC工作温度从1000℃下降至800℃以下。

这使选用金属材料作为SOFC连接体成为可能。

Ni基合金、Cr基合金、奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢等都被考虑用作连接体材料。

Ni基和Cr基合金都具有很好的耐热性和抗氧化性，但Ni基合金的热膨胀系数远大于SOFC的其它组元；Cr基合金满足热膨胀匹配与导电性的要求，但价格高、不易制成复杂的形状，大量的Cr容易引起阴极Cr中毒。

奥氏体不锈钢热膨胀系数也远大于SOFC的其它组元，

　　不适合作连接体材料。

铁素体不锈钢是含Cr的铁基合金，在800℃左右时，热膨胀系数为1×10-6～13×10-6／℃，与钇稳定氧化锆（YSZ）电解质的热膨胀系数相近，具有材料成本低、气密性好、易于加工等优点，因此金属连接体我们更倾向于采用铁素体不锈钢。

　　SOFC具有较多的优点,但要使SOFC商业化，还需克服很多技术壁垒，如低成本制造技术、电池堆的长期稳定性及可靠性等问题。

　　参考文献：

　　蒋利军,张向军,刘晓鹏,朱磊,尉海军.新能源材料的研究进展.中国材料进展XX（Z1）.

　　张波.新型材料的研究与开发.现代化工1985（03）.

　　李品将,法文君.《新能源材料与技术》课程教学实践与探索.能源与环境XX（03）.

　　师昌绪.跨世纪材料科学技术的若干热点问题.自然科学进展1999（01）.

　　新能源材料.《新材料产业》XX年第2期.

　　新能源材料.《新材料产业》XX年第12期.

　　.杜柯.新能源材料与器件新专业教学之浅见.《湖北函授大学学报》XX年第8期.

　　篇二：

中国新能源材料的发展　　引言：

人类社会对能源的需求持续增长，能源需求结构也在发生变化，与此同时人类又面临着矿物能源环境污染和枯竭的难题，能源问题成为当今社会面临的重要问题之一。

由于传统化石能源的非可再生性以及人们对其利用造成大量环境污染，因此寻找一种新型的能源成为科学研究的热点。

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、地热能、海洋能等被认为是新能源，但它们必须依靠新材料的开发与应用才能得以实现，并进一步提高效率、

　　降低成本。

新能源材料就是用于新能源生产、转换和应用所需的材料。

　　我国既是能源的消费大国,也是能源的生产大国。

虽然1990年以来能源生产总量已名列前茅,但人均占有能源消费量只有发达国家的5%—10%;但在另一方面,每万美元国民生产总值能耗方面则为世界各国之首,为印度的倍,为发达国家的4—6倍;使用能源的设备效率偏低,又造成能源的浪费,能源利用效率不高。

再者,我国能源生产与消费以煤及石油为主,造成严重的环境污染。

目前，人类使用的能源最主要是非再生能源，如石油、天然气、煤炭和