《新能源材料物理基础》主要知识点(word文档物超所值)

《新能源材料物理基础》知识要点

绪论知识要点

1)能源的概念

能源亦称能量资源或能源资源，是指可产生各种能量（如热量、电能、光能和机械能等）或可作功的物质的统称，是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源

2)能源的重要意义

能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。

人的衣食住行都离不开各种形式的能源。

能源与人类社会的生存与发展休戚相关

3)按照来源，能源可以分为哪三类？

来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）

地球本身蕴藏的能量。如原子核能、地热能等。

地球和其他天体相互作用而产生的能量。如潮汐能

4)按照基本形态，能源可以分为哪两类？

有一次能源和二次能源

5)按照使用性质，能源可以分为哪两类？

有燃料型能源（煤炭、石油、天然气、泥炭、木材）和非燃料型能源（水能、风能、地热能、海洋能）。

6)新能源概念

又称非常规能源，是指传统能源（煤炭、石油、天然气、水能、木材等）之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源。

7)新能源的特点

1）资源丰富，可再生，可供人类永续利用；

2）能量密度低，开发利用需要较大空间；

3）不含碳或含碳量很少，对环境影响小；

4）分布广，有利于小规模分散利用；

5）间断式供应，波动性大，对继续供能不利；

6）目前除水电外，可再生能源的开发利用成本较化石能源高。

8)新能源有哪些主要类型？

大中型水电；

新可再生能源，包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能；

传统生物质能。

9)新能源材料的概念与主要类型

新能源材料，就是为利用这些非常规的能源，所制造的新兴材料。

能源技术材料、能量转换与储能材料和节能材料等。

快离子导体与燃料电池知识要点

1.材料的导电载流子主要有哪些？

电子，电子空穴；离子，离子空位

2.材料按照其导电性大小，可以分为4种类型；导电性与温度的关系

超导体导体半导体绝缘体

3.快离子导体的概念，快离子导体的其他名称

所谓快离子导体，是指固体状态下，具有某种选择 性的高离子电导率（ i>10-4Sm-1），离子活化能 E a 较低（低于0.5 eV ），其 i 值与熔盐或强电解质相 当，与此同时，其电子电导率很低（ e<10-11sm-1） 的材料。

固体电解质（Solid Electrolyte ） 或超离子导体

4.快离子导体的特点及主要应用（举例）。

化学电源 ? 电化学传感器 ? 反应器 ? 金属提纯 ? 材料热力学数据的测量 ? 电致变色 ? 电积分器

全固态、特异性（固体电化学反应器）、离子运动具有较大弛豫性（忆阻器）

5.快离子导体中载流子迁移有哪两种类型（空位，填隙）？

空位迁移和填隙离子迁移

6.Arrhenius 方程，根据不同温度的电导率数据，如何计算活化能？

σ

画出lnσ—— 曲线 取斜率=σ0exp?(?E a k B T )1T 7.经典离子扩散跃迁理论（要求掌握快离子导电电导率温度关系的推导及应用）

设离子电量q ，电场x 方向E ，晶格常数a

则离子沿电场正反方向移动的几率分别为P ±=γ0e

±12aqE ?E a k B T 则离子沿电场方向的平均漂移速度为v=aγ0(e

12aqE ?E a k B T ?e ?12aqE ?E a k B T )外电场不是很强有aqE<<，所以近似

v=

k B T qE k B T γ0a 2e ?E a k B T 令D=（扩散系数），有v=

γ0a 2e ?E a k B T

qD k B T E 电流密度j=nqv=σE ，所以离子电导率σ=

n q 2k B T γ0a 2e ?E a k B T 令，则σ

σ0=n q 2γ0a 2/k B =σ0T exp (?E a

k B T )8.离子迁移数的概念，离子迁移数对燃料电池开路电压的影响（要求掌握推导）离子电导率在总电导率中所占比例称为离子迁移数

9.如何测量快离子导体的电导率？

交流阻抗谱法

10.钠硫电池概念，电解质电极，充放电过程中电极反应的电化学方程；钠硫电池

的应用

一种新型的高能密度电池。电解质为固体β-氧化铝，负极金属钠，正极硫

钠硫电池应用：削峰填谷，应急电源，风力发电，储能电站，电动汽车

11.常用的氧离子导体有哪些？具有怎样的晶体结构？

氧化锆，氧化铈，氧化铋——立方萤石结构

镓酸镧——钙钛矿结构

12.稀土（例如Y）、碱土（例如Ca）掺杂氧化锆（氧化铈）产生氧空位的缺陷化

学方程式

13.掺杂量与离子电导率的关系

低浓度时掺杂增加氧空位电导率增加，高浓度掺杂形成缔合缺陷，电导率降低。

14.固体氧化物燃料电池（SOFC）的基本结构及主要材料

氧化物多晶陶瓷，电解质为氧化物离子导体。

15.固体氧化物燃料电池的工作原理，电极与电池的电化学反应方程

16.固体氧化物燃料电池的主要特点

高效率，可热电联供

无腐蚀、无漏液、低噪音

低成本

原料来源广泛

燃料要求低、环境友好

设计种类多样

高温带来的问题

17.离子-电子混合导体概念

是介于离子导体和电子导体之间的一类固体材料，它同时传导离子和电子（自由电子和（或）电子空穴）载流子。

18.SOFC阴极材料、阳极材料

阴极：LSM/YSZ复合材料阳极：Ni-YSZ/GDC/SDC金属陶瓷阳极

19.三相边界区域（TPB）涉及的是哪三相？

气相、电子导电相和离子导电相

20.逾渗的概念，逾渗发生的条件

两相媒质中的两个相，当孔隙太小，连通性不够，气体不可能透过。存在临界阈值，超过临界阈值产生气体渗透的现象称为逾渗。

超级电容器知识要点

1.超级电容器的概念与特点

超级电容器是一种性能介于常规电容器和二次电池之间的新型储能元件。与传统意义上的电容器相比，超级电容器具有更高的比电容量和能量密度，与二次

电池相比则具有功率密度高，充放电时间短，循环性能好，使用寿命长，便于维护等特点

2.超级电容器与传统的静电电容器和二次电池的区别及联系

其功率密度远高于普通电池，能量密度远高于传统电容器，填补了这两个传统技术间的空白。超级电容器具备了传统电容器和二次电池的双重功能。

3.超级电容器的分类

电极材料：碳电极电容器、金属氧化物电极电容器、导电聚合物电极电容器、复合材料电极电容器

结构与反应：对称型超级电容器、非对称型超级电容器

储能原理：双电层电容器、法拉第准电容电容器、混合类型电容器

电解质：有机系超级电容器、水系超级电容器、全固态超级电容器

4.双电层型超级电容器的原理与电极反应

双电层电容器的能量储存在双电层电容器界面上，界面两边分别是电子导电的电极和离子导电的电解液。

5.法拉第准电容型超级电容器的原理与电极反应

储能机理是电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积，或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容。

6.混合型机制的超级电容器特点

拓宽使用电压范围并具有较高的能量密度

7.超级电容器的结构与组成材料

电极（碳、金属氧化物、导电聚合物、复合）、集流体、隔膜、电解液（水溶

液或有机溶液）、辅助部件

8.超级电容器的主要表征方法

循环伏安、恒流充放电、阻抗谱

嵌入化合物与锂离子电池知识要点

1.嵌入式化合物概念、嵌脱反应概念及反应方程式

嵌入式化合物：涉及到客体在主体晶格中的嵌入、脱出以及主体的可逆嵌脱循环性能的化合物。

嵌脱反应：涉及客体物质可逆地嵌入主体基质结构而主体结构基本不变的固态反应。

xG+□X[Hs]→G X[Hs]

2.嵌入反应和嵌入化合物的特点

1) 生成的嵌入化合物可以不同程度地改变主体的化学、电学、光学、磁学等

诸方面的性质；

2) 嵌入反应一般是可逆的；

3) 反应被认为是局部规整的，主体仅发生微小的结构重组，结构和组成保持

着完整性；

3.锂离子电池的工作原理（例如，以锂钴氧为正极，碳为负极，会写反应方程式）

4.锂离子电池构造的五要素

正极材料，负极材料，隔离膜，电解液，包装

5.正极、负极、阳极及阴极的区分

电位高的为正极，电位低的为负极；发生氧化反应的电极为阳极，发生还原反

应的电极为阴极

6.锂离子电池负极材料

石墨类负极、金属氧化物负极、纳米金属及金属化合物负极

7.锂离子电池对负极材料的要求

（1）嵌锂量大，容量高；

（2）锂嵌入/脱出时自由能变化小；

（3）锂在其中扩散系数大；

（4）嵌入/脱出过程可逆性好。

（5）具有良好的电子导电性。

（6）跟电解液化学相容且热力学稳定；

（7）机械性能好。

8.锂离子电池正极材料（锂钴氧、锂锰氧、锂镍氧及磷酸铁锂），每种正极材料

的优缺点

锂钴氧：能量密度高，技术成熟；但钴很贵

锂锰氧：安全，但高温性能差、稳定性差

锂镍氧：成本低，容量高，但制造困难，多用作三元材料

磷酸铁锂：便宜又安全，但低温性能不好，多用作动力电池

9.锂离子电池对正极材料的要求

LixMO←→xLi+MO

1) 可提供高的电池电压；

2) 广阔的x范围，可提供高的电池容量；

3) 在x范围内可输出恒定或几乎恒定的工作电压；

4) Li+在正极材料中的扩散速率较大；

5) Li+嵌入正极材料后结构变化极小，保证有良好的可逆性；

6) 良好的电子电导率；

7) 高度的化学稳定性，在电解液溶解度极小。

10.电池行业必要的专业术语及概念

充放电倍率（0.1C，1C，10C，etc.）、电极容量（mAh，Ah等）、电极比容量

（mAh/g）等

11.新型锂离子电池正极材料硫酸铁锂的优势和不足，以及改性办法。还能想出其

他的办法么？

优点：

大功率放电，高温性能好，可快速充电，循环寿命长

缺点：

导电性差，能量密度低，一致性问题：生产工艺难以控制，低温性能差改性：碳包覆及离子掺杂可提升导电性能；用导电聚合物包覆也可提升导电性能；纳米化电极材料亦是提高导电能力的途径

12.最新研究表明用碳纳米管作为电极可大幅提高电极的容量；还有，将石墨烯引

入，制成电极材料亦可大幅提高电极容量，并大大加快充电速度缩短充电时间，why？（可自己上网找资料，作进一步了解）

由于具有三维结构，该材料的比表面积非常大，可以提供丰富的储存锂的空间。锂离子均匀分布，可以抑制锂枝晶的生长。

13.锂离子电池的发展趋势？

市场需求大，向高安全、长寿命、高能量密度的大型化动力电池和储能电池发展

热电材料知识要点

1、地热资源的主要特点

巨大的天然，洁净

2、热电效应有哪三种？

塞贝克效应、帕尔帖效应和汤姆孙效应

3、塞贝克效应、帕尔帖效应和汤姆孙效应的物理机制

塞贝克效应：当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过

帕尔帖效应：电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象

汤姆孙效应：当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度时，就会产生可逆的热效应

4、塞贝克系数、帕尔帖系数和汤姆孙系数的关系

5、如何根据探针法判断半导体的载流子类型？

热探针接触材料一端，热端电势高为n型，冷端电势高为p型

6、热电材料有哪些典型应用？

热电偶温度传感器，温差发电器，半导体制冷器

7、热电偶材料性能要求

?性能稳定

?温度测量范围广

?物理化学性能稳定

?导电率要高，并且电阻温度系数要小

?材料的机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜

8、热电材料的主要参数有哪些？热电材料的品质因子如何定义？

品质因子

9、热电材料中，热导机制有哪两种？降低热导率有哪些机制？

电子热导和声子热导。

改变晶体结构、掺杂和将材料制备成多晶材料降低声子衍射。

10、热电材料主要有哪些体系？

11、金属氧化物热电材料有何突出的优点？

12、理想的热电材料具有哪些特征？

核电材料知识要点

1、核能的概念与特点

核能（又称原子能），是由于原子核内部结构发生变化，发生核反应或核跃迁时所释放的能量。

2、核能的释放有哪三种形式？

核裂变，核聚变，核衰变

3、如何应用核能？

通过核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电。核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能

4、235U获得一个中子发生裂变反应的方程

5、裂变式反应堆由哪些部分构成？

都由堆芯和辅助系统组成，堆芯内装有核燃料

6、如何将裂变反应释放的中子慢化？有哪些常用的慢化剂？

借助慢化剂与高能中子的多次散射来实现。轻水(H2O)、重水(D2O)、铍(Be)和石墨(C)。质量数低且不易俘获中子的核素

7、裂变堆有哪两种主要的类型？

热中子反应堆，快中子反应堆

8、裂变堆的堆芯材料有哪些种？

燃料组件材料，慢化剂材料，冷却剂材料，控制材料，反射层材料，屏蔽材料，反应堆容器材料

9、聚变反应方程

10、如何实现聚变反应物的约束？

磁约束，惯性约束

11、核技术成败的关键是什么？

核技术的成败取决于材料在反应堆中强辐射场下的行为

12、核辐照主要产生那种晶体缺陷？

铀和锆，各向异性晶体。

13、核辐照会造成核材料出现哪些类型的破坏？

1）包壳材料中空位团、间隙原子团的形核生长和辐照肿胀

2）核燃料中裂变气泡迁移、聚集和裂变气体释放

3）结构材料的辐照硬化、脆化和断裂

4）反应堆材料的辐照生长和辐照蠕变

14、结构材料在辐照作用下力学性能发生怎样的变化？

屈服应力和极限强度增加、延伸率下降、持久强度增加，断裂寿命降低

光伏效应与太阳能电池知识要点

1、本征半导体，掺杂半导体，P型及N型半导体的概念

本征半导体：没有杂质和缺陷的半导体。

掺杂半导体：通过添加杂质的办法降低半导体电阻率，提高其导电性。

P型：多子为空穴的半导体

N型：多子为电子的半导体

2、如何通过掺杂使硅变成P型或N型半导体？

替换相对少量的硅原子为VA族或ⅢA族的元素

3、p-n结及其内建电场

当p-型和n-型半导体结合在一起时，由于p-型半导体多空穴，n-型半导体多自由电子，在界面处出现了浓度差。n-区的电子会扩散到p-区，p-区的空穴会扩散到n-区，这样会在交界面区域形成一个特殊的薄层，即空间电荷区。空间电荷区存在一个从n-区指向p-区的内建电场阻止扩散进行，内建电场与半导体内的扩散达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层，这就是p-n结。

4、光生伏特效应的原理

当光照射p-n结上时，如果入射电子的能量大于半导体材料的禁带宽度(Eg)，就会在半导体内产生大量的自由载流子-空穴和电子。它们在p-n结内建电场的作用下，空穴往p-区移动，使p-区获得附加正电荷；而电子往n-型区移动，n-区获得负电荷，产生一个光生电动势，这就是光伏效应(光生伏打效应)。

5、光伏电池的主要参数有哪些？

开路电压VOC、短路电流ISC、最大输出功率Pm、填充因子FF、能量转换效率PCE

6、光伏电池的填充因子的概念与取值范围

最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，始终小于1，代表太阳能电池在最佳负载时能输出的最大功率的特性。

7、硅系太阳能电池的硅材料有哪三种？

单晶硅、多晶硅、非晶硅

8、按材料不同，太阳能电池可以分为哪几类？

硅太阳能电池，无机化合物太阳能电池，功能高分子材料太阳能电池，染料敏化纳米晶体太阳能电池

9、染料敏化太阳能电池的工作原理

在入射光的照射下，镶嵌在纳米二氧化钛表面的光敏染料吸收光子，跃迁到激发态，然后向二氧化钛的导带注入电子，染料成为氧化态的正离子，电子通过外电路形成电流到对电极，染料正离子接受电解质溶液中还原剂的电子，还原为最初染料，而电解质中的氧化剂扩散到对电极得到电子而使还原剂得到再生，形成一个完整的循环，在整个过程中，表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能。

10、叠层太阳能电池的概念、结构和设计思想

太阳光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度的将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池，可以大大提高性能和稳定性。

氢能与储氢材料知识要点

1、氢能的概念

一种清洁、高效、安全、可持续的新的二次能源

2、氢能的主要利用方式有哪些？

①氢气燃烧放热②用高压氢气，氧气制作氢氧燃料电池③利用氢的热核反应释放的核能

3、制氢方法有哪些？

物理制氢法、化学制氢法和生物制氢法

1 水电解制氢

2 甲醇蒸气转化制氢

3 氨分解制氢

4 烃类氧化重整制氢

4、储氢方法大致分为哪5类？

液态储氢、压缩储氢、有机化合物储氢、碳质吸附储氢和金属化合物储氢

5、碳质储氢的原理是什么？

吸附理论，其吸附机理介于范德华力和化学键之间

6、储氢合金的概念，储氢合金材料主要有哪些体系？

一定条件下进行放热/吸热时会吸收/释放氢气的金属合金，被称为储氢合金镁系、稀土系、钛系和锆系

7、氢气与元素的结合类型有哪些？

离子键型、金属型、共价键高聚合性、分子型

8、储氢合金吸放氢反应的方程式，为何热导率对储氢合金非常重要？

从储氢材料中放出氢或进行氢化，速度比较快，温升较高若热导率低，不容易使热效应有效地传递出来，易有危险发生

9、储氢合金的粉化机理是什么？粉化有哪些危害？

储氢材料在吸氢时晶格膨胀，放氢时晶格收缩、如反复吸收氢，则材料可因反复形变而逐渐变成粉末

粉末状态的储氢材料将导致氢流受阻，而且还可能随氢气流排到外部而引起公害。