新能源材料分类及其研究进展.docx

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新能源材料分类及其研究进展

新能源材料概况及最新研究进展

摘要：

随着经济全球化发展，能源的消耗日渐增加。

因此，对新能源材料的研究成为了人们关注重要问题。

在现代化科技下新能源是优化能源结构、降低碳排放以及实现可持续发展之重要的途径。

但是随着科技的发展，新能源材料研究的进展究竟如何一直是有待探究的问题[1]。

本文主要介绍了新能源材料的概况及最新研究进展。

关键词：

新能源材料，概况，最新进展

1前言

新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，它是发展新能源的核心和基础。

新能源材料是新能源开发的物质基础，近几年，我国政府比较重视能源材料的开发和应用，973计划、863计划、科技攻关计划、高技术产业化专项等计划对绿色二次电池、燃料电池和太阳能电池等能源器件及其关键材料的研究开发和产业化均有一定投入[2]。

当前的研究热点和技术前沿包括高容量储氢材料、锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池和中温固体氧化物燃料相关材料、薄膜太阳能电池材料等。

2.新能源材料概况

目前比较重要的新能源材料有：

（1）裂变反应堆材料，如铀、钚等核燃料、反应堆结构材料、慢化剂、冷却剂及控制棒材料等。

（2）聚变堆材料：

包括热核聚变燃料、第一壁材料、氚增值剂、结构材料等。

（3）高能推进剂：

包括液体推进剂、固体推进剂。

（4）燃料电池材料：

如电池电极材料、电解质等。

（5）氢能源材料：

主要是固体储氢材料及其应用技术。

（6）超导材料：

传统超导材料、高温超导材料及在节能、储能方面的应用技术。

（7）太阳能电池材料。

（8）其它新能源材料：

如风能、地热、磁流体发电技术中所需的材料。

新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。

新能源材料对新能源的发展发挥了重要作用,一些新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生,一些新能源材料的应用提高了新能源系统的效率,新能源材料的使用直接影响着新能源系统的投资与运行成本。

下面主要介绍核用锆合金、锂离子电池材料、纳米电源等新能源材料的现状及存在问题[3]。

2.1　核用锆合金

核反应堆中,目前普遍使用锆合金作为堆芯结构部件和燃料元件包壳材料。

Zr-2,Zr-4和Zr-2.5Nb是水堆用3种最成熟的锆合金,Zr-2用作沸水堆包壳材料,Zr-4用作压水堆、重水堆和石墨水冷堆的包壳材料,Zr-2.5Nb用作重水堆和石墨水冷堆的压力管材料,其中Zr-4合金应用最为普遍,该合金已有30多年的使用历史[4-6]。

为提高性能,一些国家开展了改善Zr-4合金的耐腐蚀性能以及开发新锆合金的研究工作。

通过将Sn含量取下限,Fe,Cr含量取上限,并采取适当的热处理工艺改善微观组织结构,得到了改进型Zr-4包壳合金,其堆内腐蚀性能得到了改善。

但是,长期使用证明,改进型Zr-4合金仍然不能满足50GWd/tU以上高燃耗的要求[7]。

针对这一情况,美国、法国和俄罗斯等国家开发了新型Zr-Nb系合金,与传统Zr-Sn合金相比,Zr-Nb系合金有抗吸氢能力强,耐腐蚀性能、高温性能及加工性能好等特性,能满60GWd/tU甚至更高燃耗的要求,并可延长换料周期。

这些新型锆合金已在新一代压水堆电站中获得广泛应用,如法国采用M5合金制成燃料棒,经在反应堆内辐照后表明,其性能大大优于Zr-4合金,法国法玛通公司的AFA3G燃料组件已采用M5合金作为包壳材料。

2.2锂电池

经过10多年的发展,小型锂离子电池在信息终端产品（移动电话、便携式电脑、数码摄相机）中的应用已占据垄断性地位,我国也已发展成为全球三大锂离子电池和材料的制造和出口大国之一。

新能源汽车用锂离子动力电池和新能源大规模储能用锂离子电池也已日渐成熟,市场前景广阔。

近10年来锂离子电池技术发展迅速,其比能量由100Wh/kg增加到180Wh/kg,比功率达到2000W/kg,循环寿命达到1000次以上。

在此基础上,如何进一步提高锂离子电的性价比及其安全性是目前的研究重点,其中开发具有优良综合性能的正负料、工作温更高的新型隔膜和加阻燃剂的电解液是提高锂离子电池安全性和降低成本的重要途径。

2.2.1　锂离子电池正极材料

锂离子电池的正极材料比容量目前仅130mAh/g左右,远低于负极材350mAh/g的比容量,成为锂离子电池容量的限制因素,因此改善正极材料性能是提高锂离子电池性能的关键因素之一。

目前锂离子电池正极材料主要LiCoO2,同时LiMn2O4,LiFePO4和锂镍钴锰氧化物等新型正极材料也在开发和应用过程中。

自从锂离子电池商用化以来,LiCoO2一直是锂离子电池的主导正极材料。

它是一种具有层状结构的化合物,为α-NaFeO2六方形结构,R3m空间群,其理论比容量为274mAh/g,实际比容量为140～155mAh/g,平均电压3.7V。

LiCoO2可以快速充放电,在2.75～4.3V范围内,锂离子在LixCoO2中可可逆脱嵌,材料具有较好的结构稳定性和循环性能。

2.2.2　锂离子电池负极材料

目前锂离子电池用负极材料以碳质材料为主,包括中间性炭微球和改性天然石墨等,实际比容量达到350mAh/g左右。

2008年我国碳基负极材料产量约5500t。

近年来正在开发更高比容量的新型负极材料,如锡基材料和硅及硅化合物等,此外具有优良充放电性能的Li4Ti5O12也是目前新型负极材料研究热点之一。

Li4Ti5O12是一种具有尖晶石结构的可嵌锂电极材料,在脱/嵌锂离子过程中,该材料在Li4Ti5O12与Li7Ti5O12之间进行两相转变,二者的晶格常数几乎相同,体积变化小于1%,因而被称之为“零应变”材料,与目前商业化较多的碳负极材料相比,Li4Ti5O12具有放电平稳,电压指示明显,首次充放电过程中不形成SEI膜,不易产生枝晶,与电解液相容性好以及锂离子扩散系数大等特点。

2.3纳米电源

在过去几十年中,纳米材料在纳米电子学、光电子学、材料科学、化学和生物等领域取得了许多突破性进展。

开发出大量新型的纳米材料与微纳器件,并在生物医学、信息、能源以及人们日常生活的各个领域中展现出前所未有的应用前景。

这些成果为人类社会的文明进步和可持续发展等带来了深远影响[8-10]

。

其中,作为纳米器件的一种形式,纳米电源由于体积小和能量转换效率高等特点,在纳米科技、现代工业以及人体健康等领域都有重要的应用。

目前,对于纳米电源来说,两个因素至关重要:

1）能量产生过程中所对应的物理效应;2）纳米电源所使用的电极材料。

目前,主要有两种物理效应被用于纳米电源系统:

压电效应与摩擦效应。

压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在其两个相对表面上出现正负相反的电荷;当外力去掉后,它又会恢复到不带电状态的一种物理现象。

而当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。

相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。

具有压电效应的材料主要有:

压电单晶体（石英、硫化镉、氧化锌、氮化铝等）,压电多晶体（钛酸钡、锆钛酸铅等）,压电聚合物与压电复合材料等。

摩擦式纳米电源是一类基于柔性纳米薄膜“应变－恢复”过程中两电极接触、摩擦起电、静电感应的纳米电源系统,是一种将摩擦产生的电

能收集起来并加以利用的装置。

摩擦式纳米电源有以下几个独特的优势:

1）它是一种基于新的原理与方法的新型纳米电源,可为微-纳电子器件与电子学研开辟新的研究领域;2）整个器件的制造成本低,工艺简单,有利于大规模的工业化生产与实际应用;3）整个器件的结构简单,易加工,器件使用寿命长,容易和其他工工艺集成[11]。

此外,由摩擦式纳米电源产生的电压远远大于压电式纳米电源。

3.新能源材料最新研究进展

3.1美开发新型堆叠结构太阳能电池

在日前举行的2014年美国科学促进会会议上，美国伊利诺伊州大学香槟分校的约翰·罗格博士宣布，其与美国聚光光伏组件厂商Semprius公司联合研发的新型硅片，光电转换效率可达42.5%，即便封装入面板也能保持在35%，而经过适当调试最高可达到惊人的50%。

这打破了Semprius公司2012年创造的33.9%的光伏组件转换效率世界纪录。

这种新型电池的秘密是什么呢？

答案是它的构并非传统形式，而是在每块电池板中层层堆叠了4块电池片[12]。

3.2我国首次钻获高纯度新类型“可燃冰”

国土资源部地质勘查司副司长车长波在2013年12月17日上午的新闻发布会上指出，近日在珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度新类型天然气水合物，其储量相当于1000亿～1500亿m3天然气，相当于现在四川的川中天然气田模。

车长波表示，此次发现的天然气水合物样品具有埋藏浅、厚度大、类型多、纯度高四个主要特点，赋存于水深600m～1100m的海底以下220m以内的2个矿层中。

根据国土资源部的规划，我国可能在2020年前后突破天然气水合物的开发技术，实现能够适应工业化开发规模的工艺、技术和设备完善，大约再经过10年左右的提升，到2030年前后实现天然气水合物的商业开发[13]。

3.3日产新技术，可直接观察锂离子电池的电子运动

日产汽车与日产ARC于3月13日宣布，开发出了一种分析方法，可直接观察锂离子电池充放电时正极材料中的电子运动作并定量化。

采用此方法“，使得高容量锂离子电池的开发成为可能，从而有助于延长纯电动汽车（EV）的续航距离”。

要开发容量高、寿命长的锂离子电池，必须在电极活性物质中尽量多储存锂，进行可产生大量电子的材料设计。

为此，掌握电池中的电子运动十分重要，而以前的分析技术无法直接观察电子的运动。

因此，无法定量识别电极活性物质（锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、氧（O）等）中什么元素可在多大程度上释放了电子。

此次开发的分析方法，使得长期存在的课题——探明充放电时电流的起源并定量把握在全球首次得到了解决。

由此，可准确掌握电池内部发生的现象，尤其是正极材料含有的活性物质的运动状况。

此成果是由日产ARC与东京大学、京都大学、大阪府立大学共同开发的。

此次开发的分析方法，同时运用了使用“L吸收端”的“X射线吸收分光法”和使用超级计算机“地球模拟器”的“第一原理计算法”。

尽管以前也有人采用X射线吸收分光法实施过锂离子电池分析，但使用“K吸收端”为主流。

配置在距离原子核最近的K壳层的电子被束缚在原子内，因此电子并没有直接参与充放电日产ARC将此分析方法用于分析锂过剩型正极材料。

结果发现：

①在高电位状态下，属于氧的电子有益于充电反应；②在放电时，属于锰的电子有益于放电反应

[14]。

4.展望

目前在全世界范围内，能源紧缺已得到人们的普遍关注，各个发达国家都已从事新型能源的开发工作。

在现有技术条件下，新能源电力虽然取得了很大的成绩，但要使其得到大范围应用，尤其是在商业范围内得到普遍运用，还有很多技术问题没有解决[15]。

要解决这些技术难题，不但要在物理、化学和应用材料方面取得很大成果，以求达到最大程度地降低建造成本和提升能源转换率；而且要在电气、电子、控制和信息方面加大技术攻关力度，使这些方面综合提高科研水平，早日完成各种电能之间相互转换、保存、送输、运用以及科学管理。

所以，必须打破学科局限性，融合多方面技术，大力发展新能源电力，创造更加美好地人类生活。

参考文献：

[1]付浪.新能源材料的研究进展探究[J].科技风,2012,6（下）.

[2]陈立泉.我国新能源材料产业化现状（上）[J].AdvancedMaterialsIndustry,No.7.2005.

[3]蒋利军,张向军,刘晓鹏,朱　磊,尉海军.新能源材料的研究进展[J].中国材料进展,　第28卷　第7～8期2009年8月.

[4]刘承新.锆合金在核工业中的应用现状及发展前景[J].稀有金属快报,2004,23（5）:

21-23.

[5]周邦新,赵文金,苗志.改善锆-4合金耐腐蚀性能的研究[J].核科学与工程,1995,15（3）:

242-249.

[6]赵文金,周邦新.锆-4合金中第二相的研究[J].核动力工程,1991,12（5）:

67-72.

[7]赵文金,周邦新,苗志.我国高性能锆合金的发展[J].原子能科学技术,2005,39:

2-8.

[8]KEMPATJ,DAYRW,KIMSK,etal.Semiconductornanowires:

aplatformforexploringlimitsandconceptsfornano-enabledsolarcells.EnergyEnviron.Sci.,2013,6:

719–733.

[9]GAOH,FUA,ANDREWSSC,etal.Cleaved-couplednanowire

lasers.PNAS,2013,110（3）:

865–869.

[10]KNOLMANOVIN,DOMINGUESSH,CHOUH,etal.Reducedgrapheneoxide/coppernanowirehybridfilmsashigh-performancetransparentelectrodes.ACSNano,2013,7

（2）:

1811–1816.

[11]WANGZHONG-LIN.Commercialapplicationsofnanogeneratorsassustainablepowersourceandactivesensors.ScientiaSinica（Chimica）,2013,43（6）:

759–762.

[12]新能源材料[J].新材料产业,NO.5201481.

[13]新能源材料[J].新材料产业,NO.1201481.

[14]新能源材料[J].新材料产业,NO.4201481.

[15]张挺.电子技术在新能源材料行业的应用探究[J].科技论坛,2013.15.

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