新能源新材料

新能源新材料

新能源与新能源材料的任务及主要进展几个基本概念:

能源：产生机械能、热能、光能、电磁能、化学能等各种能量的自然资源。按形成，可分为一次能源和二次能源；按能否再生，可分为可再生能源和不可再生能源；按使用情况，可分为常规能源和新能源。能源是人类赖以生存和发展工业、农业、国防、科学技术以及改善人民生活所必需的燃料和动力来源。

几个基本概念

一次能源：亦称为“初级能源”、“天然能源”。自然界以天然形式存在的、未经加工或转换的能源。可分为源于太阳的能量，如太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能以及煤炭、石油、天然气、油页岩等化石燃料；地热能；核能；潮汐能。按在自然界能否循环再生，可分为可再生能源和不可再生能源。随着科学技术的发展，常对其加工或转换使之成为二次能源，以适应工艺或环境保护的需要，以及便于使用、输送和提高劳动生产率等。

几个基本概念

二次能源：也称“次级能源”、“人工能源”。由一次能源经加工转换而成的其他形式和种类的能源。包括焦碳、煤气、电力、蒸汽、氢能、酒精，以及汽油、煤油、柴油、重油等油制品。与一次能源相比，提高了品位，并具有输送、使用较方便、清洁等优点。二次能源的利用程度与一个国家的经济、科学技术、国防等因素有关。

几个基本概念

可再生能源：简称“再生能源”。自然界生态循环中能不断再生，并有规律地得到补充，不会枯竭的一次能源。包括太阳能、水能、风能、生物质能、海洋能和地热能等。

不可再生能源：又称“非再生能源”。经人类开发利用后，在相当长的时期内不可能再生的自然能源。主要指各种矿物、化石燃料等需要经过漫长的地质年代才能形成的资源。对于不可再生能源的开发利用，不能任意破坏和浪费。

一、人类社会发展对能源的需求和面临的挑战

能源与人类社会的生存及可持续发展休戚相关。为了可持续发展，必须保护人类赖以生存的自然环境和自然资源，这是人类进入二十一世纪后所面临的严重挑战。于是，科学工作者提出了资源与能源最充分利

用技术(Maximum Energy and Resources Utilization---MERU技术)和环境最小负荷技术(Minimum Environmental Impact---MEI技术)。新能源与新能源材料是这两大技术的重要组成部分。

发展新能源与新能源材料对我国尤其重要，是我国必须得到很好解决的重大课题。人类社会的发展伴随着能源消耗量的增加。表0-1列出了世界一次能源消费的增长趋势。

1 工业文明刺激能源需求持续增长

从表中可以看出，世界能源消费的增长率虽然波动较大，但是总趋势是保持正增长。这儿有三个主要原因：一是世界经济的高速增长，二是能源技术发展的刺激，三是世界人口的增长。据联合国的有关统计资料，1990年全球人口为53亿，预计到2020年人口将增加到81亿，届时能源消费将增加一倍。

另一方面，科技进步使单位GDP（国内生产总值）的能耗逐渐降低。这也是高技术产业得到重视的原因。图0-1给出了主要发达国家单位GDP能耗下降的情况。可以看出，在16年间单位GDP能耗降低了20~40%。我国的单位GDP能耗高出美国一倍以上。这表明我国技术落后、产业结构层次低。

2.能源结构的变化

人类能源消费的另一个趋势是能源结构的变化。这种变化一方面反映出人类能源技术的进步，另一方面也反映出产业结构和社会生活的变化。表0-2给出了世界能源消费结构的变化。

3能源结构的变化

从表中可以看出，自70年代开始，原油已代替原煤在能源消费中占据首位，天然气的消耗比例也在增加。我国的能源结构仍以原煤为主。1996年的比例是：原煤75%，原油17.5%，天然气1.6%，水电5.9%。

从能源的应用形态看，小型分立的可移动电源的需求增长很快，这主要是信息技术发展的结果。特别是近些年来笔记本计算机、手提电话等移动通信、摄象机、声像设备以及一些军用电子设备等的发展，对电池的能量密度要求更高，并要求能反复使用。因此，促进了高容量二次电池的发展。二次电池成为新能源发展的重要方向之一。

3 矿物质能源面临枯竭的前景

矿物能源枯竭的必然性已取得共识，但何时出现枯竭，预测却不相同。表0—3列出1992年世界能源大会提供的调查资料。此表动态地预

测了资源及需求的变化。对21世纪而言，原油和天然气资源与需求的形势是比较严峻的。

4矿物燃料燃烧造成的环境污染

矿物燃料燃烧时要放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、三四苯并芘、烟尘等。这些燃烧产物有的可破坏植被和土壤，如二氧化硫；有的对人的健康有害，如烟尘、三四苯并芘、二氧化硫等；有的对气候有影响，如二氧化碳、氮氧化物等。在燃烧产物中，大多数都可以靠燃料的前处理、烟气净化大幅度降低，但二氧化碳却不能用这些办法降低。改变矿物燃料的种类，可以适当改变CO2释放量。为获得同等的热量，以煤燃烧的CO2释放量为“1”，则使用石油和天然气时的CO2释放量分别降至0.82和0.59。

5.矿物燃料燃烧造成的环境污染

在向大气释放的CO2中，80%以上来自能源的生产。随着能源消耗的增长，CO2释放量在增大，如图0—2所示。不同地区的人均CO2释放量的状况如图0—3所示。

6矿物燃料燃烧造成的环境污：

（1）CO2释放量呈愈来愈增大的趋势。据统计1990年已达59亿吨碳，如不采取有效措施，到2020年将达84亿吨碳。

（2）发达国家的释放量占大部分。现在发达国家只占世界人口的18%，却占总排放量的60%以上，在过去积累的排放量中，发达国家占90%。（3）发展中国家的排放量增长速度从70年代开始加快，进入80年代以来增长速度已超过发达国家。

7 矿物燃料燃烧造成的环境污染

上述排放量已使自然界CO2循环的平衡被打破。据联合国所属的IPCC(Inter-governmental Panel on Climate Change，政府间气候变化委员会）的数据，现在大气中的CO2浓度已由1000年前的280×10-4 % 升至320×10-4 %。多数专家认为，大气中CO2浓度的增加是地球气候变暖的重要原因，发展下去将对生态环境造成严重的破坏，危及人类的生存。

8矿物燃料燃烧造成的环境污染

经过多次国际会议的讨论与准备工作，1997年在京都召开的联合国气候变化框架会议第三次参加国会议的议定书上，规定签字国必须在2008年—2012年严格将温室气体的排放量降低到规定指标。这个任务非常艰巨，要从节能、提高能源效率、设法吸收大气中的CO2和扩大使

用新能源来解决。

二、新能源与新能源材料

新能源的出现与发展，一方面是能源技术本身发展的结果，另一方面也是由于这些能源有可能解决上述的资源与环境问题而受到支持与推动。太阳能、生物质能、核能（新型反应堆）、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能等被认为是新能源，其中氢能、太阳能、核能是有希望在21世纪得到广泛应用的能源。新能源的发展一方面靠利用新的原理（如聚变核反应、光伏效应等）来发展新的能源系统，同时还必须靠新材料的开发与应用，才能使新的系统得以实现，并进一步地提高效率、降低成本。

9材料的作用

（1）新材料把原来习用已久的能源变成新能源。例如从古代起，人类就使用太阳能取暖、烘干等，现在利用半导体材料才把太阳能有效地直接转变为电能。再有，过去人类利用氢气燃烧来获得高温，现在靠燃料电池中的触媒、电解质，使氢与氧反应而直接产生电能，并有望在电动汽车中得到应用。

10.材料的作用

（2）一些新材料可提高储能和能量转化效果。如储氢合金可以改善氢的存储条件，并使化学能转化为电能，金属氢化物镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。

11 材料的作用

（3）新材料决定着核反应堆的性能与安全性。新型反应堆需要新型的耐腐蚀、耐辐照材料。这些材料的组成与可靠性对反应堆的安全运行和环境污染起决定性作用。

12 材料的作用

（4）材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本。例如，太阳电池所用的材料决定着光电转换效率，燃料电池及蓄电池的电极材料及电解质的质量决定着电池的性能与寿命，而这些材料的制备工艺与设备又决定着能源的成本。因此，这些因素是决定该种新能源能否得到大规模应用的关键。

13.新能源材料的任务及面临的课题

为了发挥材料的作用，新能源材料面临着艰巨的任务。作为材料科

学与工程的重要组成部分，新能源材料的主要研究内容同样也是材料的组成与结构、制备与加工工艺、材料的性质、材料的使用效能以及它们四者的关系。结合新能源材料的特点，新能源材料研究开发的重点有以下几方面。

14 新能源材料的任务及面临的课题

1）研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率。例如，研究不同的电解质与催化剂以提高燃料电池的转换效率，研究不同的半导体材料及各种结构（包括异质结、量子阱）以提高太阳电池的效率、寿命与耐辐照性能等。

15 新能源材料的任务及面临的课题

2）资源的合理利用

新能源的大量应用必然涉及到新材料所需原料的资源问题。例如，太阳电池若能部分地取代常规发电，所需的半导体材料要在百万吨以上，对一些元素而言（如镓、铟等）是无法满足的。因此一方面尽量利用丰度高的元素，如硅等；另一方面实现薄膜化以减少材料的用量。又例如，燃料电池要使用铂作触媒，其取代或节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源发展到一定规模时，还必须考虑废料中有价元素的回收工艺与循环使用。

16 新能源材料的任务及面临的课题

安全与环境保护

这是新能源能否大规模应用的关键。例如，锂电池具有优良的性能，但由于锂二次电池在应用中出现过因短路造成的烧伤事件，以及金属锂因性质活泼而易于着火燃烧，因而影响了应用。为此，研究出用碳素体等作负极载体的锂离子电池，使上述问题得以避免，现已成为发展速度最快的二次电池。另外有些新能源材料在生产过程中也会产生三废而对环境造成污染；还有服务期满后的废弃物，如核能废弃物，会对环境造成污染。这些都是新能源材料科学与工程必须解决的问题。

17新能源材料的任务及面临的课题

18材料规模生产的制作与加工工艺

在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构的优化是研究的重点；而材料的制作和加工常使用现成的工艺与设备；到了工程化的阶段，材料的制作和加工工艺与设备就成为关键的因素。在许多情况下，需要开发针对新能源材料的专用工艺与设备以满足材料产业化的要求。这些情况包

括：①大的处理量；②高的成品率；③高的劳动生产率；④材料及部件的质量参数的一致性、可靠性；⑤环保及劳动防护；⑤低成本。

19新能源材料的任务及面临的课题

例如：在金属氢化物镍电池生产中开发多孔态镍材的制作技术；开发锂离子电池的电极膜片制作技术等。在太阳电池方面，为了进一步降低成本，美国能源部拨专款建立称之为“光伏生产工艺”（Photovoltaic Manufacturing Technology）的项目，力求通过完善大规模生产工艺与设备使太阳电池发电成本能与常规发电相比拟。

20 新能源材料的任务及面临的课题

延长材料的使用寿命

现代的发电技术、内燃机技术是众多科学家与工程师在几十年到上百年间的研究开发成果。用新能源及其装置对这些技术进行取代所遇到的最大问题是成本有无竞争性。从材料的角度考虑，要降低成本，一方面要靠从上述各研究开发要点方面进行努力；另一方面还要靠延长材料的使用寿命。这方面的潜力是很大的。这要从解决材料性能退化的原理着手，采取相应措施，包括选择材料的合理组成或结构、材料的表面改性等；并要选择合理的使用条件，如降低燃料中的有害杂质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一个明显的例子。

三、一些新能源材料的主要进展

新能源材料的种类繁多。因篇幅有限，本专题仅介绍几个有重大意义且发展前景看好的新能源材料，即新型二次电池材料、燃料电池材料、太阳电池材料及核能材料。新材料在这些新能源中的功能与取得的进展各不相同，下面我们将进行一些具体的讨论。

21.金属氢化物镍电池材料

氢能是最清洁的二次能源，储氢材料的发现（1970年由Van Vucht 首先发现LaNi5合金具有良好的可逆储氢性能）、发展及应用促进了氢能的开发利用。利用储氢材料的可逆储氢性能及伴随的热效应和平衡压特征，可以进行化学能、热能和机械能等能量交换，具体可以用于氢的高效储运、电池的负极材料、高纯氢气的制备、热泵、同位素的分离、氢压缩机和催化剂等，形成一类新型功能材料。其中，金属氢化物-镍电池（MH-Ni）的商业化是储氢材料研究成果最有经济价值的突破，而MH-Ni电池的推广应用又促进了便携式电器和电动车辆的发展。

22.金属氢化物镍电池材料

储氢合金作为MH-Ni电池的负极材料应用是由于其具有独特的储氢和点化学反应双重功能。储氢合金作为MH-Ni电池的负极材料的应用一般需要具备以下主要特征：（1）合金的储氢容量较高，平台压力适中，对氢的阳极氧化具有良好的电催化性能；（2）在氢的阳极氧化电位范围内，合金具有较强的抗氧化性能；（3）在反复充放电循环过程中，合金的抗粉化性能优良。（4）在强碱性电解质溶液中，合金组份的化学性质稳定；（5）合金具有良好的电和热的传导性；（6）合金的成本低廉。

23.金属氢化物镍电池材料

金属氢化物镍（Ni／MH）电池是一种以储氢合金作为负极材料的新型二次电池。因其能量密度比Ni／Cd电池高约1．5～2倍，且无镉的污染，现已广泛用于移动通信、笔记本电脑等各种小型便携式电子设备，并正在开发商品化电动汽车的动力源。Ni/MH电池的发展方向主要是进一步提高电池的能量密度及功率密度，改善放电特性以及提高电池的循环寿命等。这主要靠所用材料取得的进步。

24.金属氢化物镍电池材料

1）正极材料的改善

Ni／MH电池的容量为正极所限制。进一步改进球形Ni（OH）2正极材料的性质对于提高电池的综合性能有重要意义。对正极材料的研究与开发着重在：通过材料制备技术的研究，进一步控制Ni（OH）2的形状、化学组成、粒径分布、结构缺陷及表面活性等，从而进一步提高正极的放电容量及循环稳定性等性能。

25 金属氢化物镍电池材料

2）AB5型储氢合金的改进

研究开发中的储氢负极合金体系有AB5型混合稀土系合金、AB2型Laves相合金、AB型钛镍系合金、A2B型Mg－Ni系合金和钒基固溶体型合金等。其中，由于AB5型混合稀土系合金具有良好的性能价格比，现已成为国内外Ni／MH电池生产中使用最为广泛的负极材料。对AB5型混合稀土系合金的进一步改进着重在合金的成分、结构的优化及表面改性处理等方面，力求进一步提高合金的综合性能。

26.金属氢化物镍电池材料

在合金成分优化方面，包括对合金A侧混合稀土的组成(La、Ce、Pr、Nd）的优化和对合金B侧的多元合金化（Co、Mn、Al、Cu、Fe 等）的替代研究。在对合金结构优化方面，已通过快速凝固、定向凝固及合金的热处理等制备技术的研究，使合金的成分均匀化，减少或消除

了第二相的晶界偏析并使晶粒细化，从而使合金的循环稳定性得到明显改善。此外，采用热碱浸渍等方法对合金进行表面改性处理，还可使合金的高倍率放电性能及循环稳定性进一步得到提高。

27 金属氢化物镍电池材料

3）新型高容量储氢电极合金的研究与开发

由于AB5型混合稀土系储氢合金的本征储氢量较低（理论容量约372 mAh／g），难以满足Ni／MH电池不断提高能量密度的需求，因此对各种新型高容量储氢电极合金的研究与开发已受到人们广泛的关注。其中，AB2型合金的放电容量可比AB5型合金提高约30％～40％，已在美国OVONIC公司的Ni／MH电池中应用。但是AB2型合金目前还存在初期活化困难以及高倍率放电性能不如AB5型合金等问题，有待进一步研究与改进。

28.金属氢化物镍电池材料

研究开发中的新型高容量储氢合金还有非晶态Mg-Ni系合金（按La1.8Ca0.2Mg14Ni3计算，理论容量近1000 mAh／g）和钒基固溶体型合金（按Ti22V66Ni12计算，理论容量约800 mAh／g）。就其研究水平而言，目前都还存在循环容量衰退速度较快、电极寿命短等问题，有待于进一步提高。合金成分与结构的优化、合金制备技术及表面改性处理也是进一步提高新型储氢合金性能的主要研究方向。

29 金属氢化物镍电池材料

4）电池的再生利用

随着Ni／MH电池产业的迅猛发展，人们将面临着如何处理大量经过使用后而失效的Ni／MH电池废弃物的问题。通过采用火法或湿法冶金的方法对废弃电池进行再生处理，不仅可以减少或消除电池废弃物对环境的污染，同时还可使电池材料中的稀土元素、镍钴等有价金属得到再生利用。这对于金属资源的有效利用及降低电池的生产成本均有重要意义。

30.锂离子二次电池材料

锂离子电池因有高的比容量而引起人们重视。据报道，到2000年，锂离子电池在小型二次电池中已占首位。

锂离子二次电池材料

?为了更清楚、准确地理解锂离子二次电池的工作原理，需要对其用到的下列基本概念有所了解。

?电化学比容量：单位质量或单位体积的电极活性物质所能嵌入或脱嵌

的与锂离子数目相应的电量；

?不可逆容量损失：在充放电过程中，电极的充放电率低于100%，即充电与放电的电化学容量不相等，损失的部分称为不可逆容量损失；

31 锂离子二次电池材料

?充放电倍率：充放电倍率可定义为I=C/N,其中C为电池的标称电化学容量值，N为放电小时数。一个容量为2Ah的电池以20小时放电称为0.1C。I值的大小反映了电池充放电的快慢，主要与电池内部各种电极过程的速率有关；

?循环性：即电极材料在反复的充放电过程中保持其电化学容量的能力。电池的循环性的好坏与电极材料的结构稳定性、化学稳定性、热稳定性有关；

32.锂离子二次电池材料

正负极：一般地讲，在锂离子二次电池体系中，定义放电时失去电子的电极为负极，也称为阳极；放电时得到电子的电极为正极，也称为阴极。当然，在某些国家，其阳极和阴极的定义与此正好相反。

33 锂离子二次电池材料

锂离子电池的发展方向为：①发展电动汽车用大容量电池；②提高小型电池的性能；③加快聚合物电池的开发以实现电池的薄型化。这些方向都与所用材料的发展密切相关，特别是与负极材料、正极材料和电解质材料的发展相关。

34.锂离子二次电池材料

据Scientific American,2004年第1期报道，美国阿尔贡国家实验室电池技术研发组已研制成功可用于混合能源汽车和医学设备的高性能锂基电池。课题负责人Khalil Amine生于摩洛哥，在法国接受教育。2002年，他领导一个阿尔贡材料科学家研究小组，在锂电池设计方面取得了令人瞩目的成就。为了制造适用于汽油—电力混合能源汽车的电池（要求很高的峰值动力），他们优化了锂—锰的化学组成，与基于钴和锂的替代方案相比，锂—锰电池具有固有的安全性。

34.锂离子二次电池材料

锰晶体预期更为耐用，降低了更换车用电池的费用。研究人员还改进了基于锂、铁和磷酸盐的电池，以适用植入型的医学设备，这里的难点是能量储存，而不是峰值能量。目前的人体植入电池只能用3年，而阿尔贡的新电池有望使用10年。这一时间足以保证所谓“微刺激器”的可行性。

35.锂离子二次电池材料

1）碳负极材料

早在1965年就开始使用金属锂作负极，并曾投入批量生产，但由于此种电池在对讲机中突发短路，使用户烧伤，因而被迫停产并收回出售的电池。研究表明，这是由于金属锂在充放电过程中形成树枝状沉积造成的。现在实用化的电池是用碳负极材料，靠锂离子的嵌入或脱嵌而实现充放电，从而避免了上述不安全问题。目前，使用的碳材料有硬碳、天然石墨或中间相微珠等。通过对不同碳素材料在电池中的行为研究，使碳负极材料得到优化。

36 锂离子二次电池材料

2)纳米合金材料

为了克服金属锂负极的安全性，曾研究了许多种合金体系。虽然一些锂合金可以避免枝晶生长，但经过多次充放电，由于体积的变化致使负极粉化，造成电池性能变坏。最近发现纳米级的Sn及SnSb、SnAg 等金属间化合物可使电池的循环性能得到明显改善，有望在将来用于电池生产。

37.锂离子二次电池材料

3）正极材料

目前使用的正极材料为LiCoO 2。就现状来说，人们已对此种化合物的晶体结构、化学组成、粉末粒度及粒度分布等因素对电池性能的影响进行了深入研究。在此基础上使电池性能得到改善。为了降低成本，提高电池的性能，还研究用一些金属取代金属钴的方案。研究较多的是LiMn2O4，目前正针对其高温下性能差的缺点进行改进。现在研究的还有双离子传递型聚合物正极材料。

38锂离子二次电池材料

4）电解质材料

研究集中在非水溶剂电解质方面，这样可得到高的电池电压。重点是针对稳定的正负极材料调整电解质溶液的组成，以优化电池的综合性能。还发展了在电解液中添加SO2和CO2等方法以改善碳材料的初始充放电效率。三元或多元混合溶剂的电解质可以提高锂离子电池的低温性能。开发聚合物电解质是锂离子电池的重要方向，它关系到薄型电池的发展。

39 太阳电池材料

太阳能为人类最主要的可再生能源。一方面太阳每年照射到地球上的能量远远超过人类所消耗的能源总量；另一方面这巨大的能量却分散

到整个地球表面，单位面积接受的能量强度不高。因此太阳电池发展的制约因素有：①接受面积的问题，如太阳电池成为主要能源则需要相当庞大的接受面积；②能量按时间分布不均的问题，即有昼夜之分，又有季节之分；③电池材料的资源问题，大量应用需要百万吨到上亿吨的半导体材料；④成本问题。

40.太阳电池材料

结合上述因素，太阳电池材料的发展主要围绕着提高转换效率、节约材料消耗、降低成本等问题进行研究。主要有以下进展：

1）发展材料工艺，提高转换效率

材料工艺包括材料提纯工艺、晶体生长工艺、晶片表面处理工艺、薄膜制备工艺、异质结生长工艺、量子阱制备工艺等。通过上述研究与发展，使太阳电池的转换效率不断提高。目前，单晶硅电池的转换效率已达23.7％，多晶硅电池达18.6％，砷化镓基电池达33％。

41 太阳电池材料

2）发展薄膜电池，节约材料消耗

目前大量应用的为晶体硅电池。此种材料属间接禁带结构，需较大厚度（一般为200 ~300μm）才能充分吸收太阳能。而薄膜电池，如砷化镓电池、硫化镉电池、非晶硅电池，则只需1～2μm的有源层厚度，这样可大幅度降低材料消耗。最近，多晶硅薄膜电池的有源层厚度又降到50μm，同时使用衬底剥离技术，使衬底可多次使用。这些都是节约材料的途径。

42太阳电池材料

3）材料的大规模加工技术

提高太阳电池成本竞争能力的途径之一是扩大生产规模。其中材料制备与加工规模是关键性的，为此研究开发大生产的工艺与设备。例如，使用开发成功的每炉超过200 kg的铸锭设备生产多晶硅锭，既提高了生产效率，又增大了材料的实收率；采用线切割机切硅晶片，可使材料切割的损耗降低10个百分点以上。目前生产的太阳电池的70％～80％是晶体硅太阳电池，它们使用的原料为生产半导体器件用晶体的头尾料及等外品。随着太阳电池生产规模的扩大，必须批量生产太阳能级硅，它在纯度上和成本上都应满足太阳电池的需求，目前正在研究开发中。

43.太阳电池材料

4）与建筑相结合

解决太阳电池占地面积问题的方向之一是与建筑相结合。除了建筑物的屋顶可架设太阳电池板之外，将太阳电池做在建筑材料上是值得重

视的。现在已用非晶硅太阳电池做在屋顶瓦、半透明或不透明垂直幕墙。窗用玻璃等建筑材料上。这显然是材料工艺与设备发展的结果。

问题：上述太阳电池材料能全部吸收太阳光吗？

染料敏化纳米晶薄膜太阳电池

1991年和1993年，瑞士的Michael Gratzel 教授先后在Nature 和Journal of the American Chemical Society 上发表论文，报道了一种全新的太阳电池---染料敏化纳米晶薄膜太阳电池。它制作方法简单，成本低，光电转换效率超过了10%。这一转换效率可以和非晶硅太阳能电池相比，并且也是目前唯一可以和非晶硅电池竞争的侯选者。而这种基于纳米半导体晶体材料和工艺的新型电池因具有进一步提高效率和降低成本的潜在优势而一直得到高度重视，染料敏化纳米晶薄膜太阳电池已经成为太阳电池研究领域的一个新的热点。

染料敏化纳米晶薄膜太阳电池的结构

?染料敏化纳米晶薄膜太阳电池主要由以下几部分组成：透明导电玻璃（TCO）纳米（TiO2）多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质和反电极。

?在太阳电池中，光电转换过程通常可分为光激发产生电子空穴对、电子空穴对的分离、向外电路的输运等三个过程。

染料敏化纳米晶薄膜太阳电池的工作原理

?染料敏化纳米晶太阳电池的工作原理和传统的p—n结太阳电池不同，在染料敏化纳米晶太阳电池中，光的捕获和电荷的传输是分开进行的。光的捕获是由染料分子完成的，染料分子吸收光子后，处在激发态的染料分子产生了中心离子到配体的电荷迁移，电子通过配体注入到二氧化钛的导带，再通过多孔的二氧化钛薄膜传输到光阳极，从外电路通过负载传输到反电极，同时染料分子被电解质中的Iˉ离子还原，实现了电荷的分离。电解质中的氧化还原电对将空穴传输到反电极，与电子复合，完成一个循环。

染料敏化纳米晶薄膜太阳电池目前研究的重点

?新型高效敏化剂的合成：

开发新染料的主要目的是：使染料能在全可见光谱范围和近红外光谱区吸收光子能量，并具有高的量子产率。

染料敏化纳米晶薄膜太阳电池目前研究的重点

?电解质：

电解质体系的主要功能除了复原染料和传输电荷外，还能改变二氧

化钛、染料及氧化还原电对的能级，改变体系的热力学和动力学特性，对光电压影响很大。为提高电池的光电性能，人们在电解质体系中进行了很多的研究工作，得出了不少有意义的结果。

研究制备出电导率和离子传导率高，电极电位与染料能级匹配，与二氧化钛纳米晶以及对电极界面结合性能良好的高分子固体电解质或准固体电解质是目前研究的重点课题之一。

染料敏化纳米晶薄膜太阳电池目前研究的重点

多孔膜的制备：

多孔膜是纳米晶染料敏化太阳电池的骨架部分。它不仅是染料分子的支撑和吸附载体，同时也是电子的传输载体。纳米晶多孔膜的最大特点是它具有大的总表面积，如10?m厚的纳米晶多孔膜的总表面积比其几何面积大1000倍。另外多孔膜中的孔的连通性也是多孔膜结构的一个重要指标，这关系到电解质中氧化还原电对的有效传输。目前，实验室中广泛使用的制膜方法有：刮涂法（doctor-blade）、旋涂法（spin coating ）、和逐层沉积法（layer by layer deposition）等

染料敏化纳米晶薄膜太阳电池存在问题

染料敏化纳米晶太阳电池目前存在的主要问题是效率和稳定性的最优化。这包括两个方面：

（1）液体染料敏化太阳电池的长期稳定性，主要是封装技术问题，解决电解质的泄露和变性问题；

（2）固态电解质染料敏化纳米晶太阳电池效率低的问题。

44.核能材料

核反应堆可分为裂变反应堆和聚变反应堆两大类。裂变反应堆已大量应用，对其材料的研究除了优化商品堆的性能外，主要为了满足新型堆的需要，如满足高温气冷堆和快中子增殖堆的要求。聚变堆离实际应用还有相当的距离，核能界公认聚变堆材料是技术难点之一。当前，核能材料研究发展的重点有以下几方面：

45.核能材料

1）包壳材料

包壳材料的主要功能是在裂变堆中将燃料与冷却剂分开。对它的技术要求是应具备低的中子吸收截面、良好的抗辐照性能、与燃料相容性好、满意的耐蚀性、足够的力学性能等，已使用的有铝合金、锆合金、镁合金、不锈钢等。研究的重点是快中子增殖堆，这是因为一方面是裂

变密度高，另一方面是熔融钠的温度介于525 K～975 K之间，容易使包壳材料产生众多的结构缺陷，从而导致力学性能劣化。

46 核能材料

目前快堆多采用316型奥氏体不锈钢及其改进型，正在研究的有铁素体不锈钢、镍基合金、氧化物弥散强化合金等。在现在运行的水冷堆中多采用铝合金作包壳材料。在三里岛事故后，考虑到大破口失水事故的危险性，人们又在探讨用不锈钢取代铝合金的问题，此项工作正在进行中。在空间用的热离子反应堆中，兼作支持极的包壳的温度可达1500℃，多选用难熔金属钨、钼等。

47.核能材料

2）核燃料

核燃料一方面要在核素组成方面满足核反应的要求，另一方面应具备符合反应堆要求的具体形状，如圆柱形、板状、颗粒状等。高温气冷堆的温度很高，要求使用包覆型颗粒，即在氧化物核燃料小球的表面用热裂解碳或碳化物包覆。此种颗粒的破损率会直接影响高温气冷堆的运行。现在正在研究用碳化锆进行包覆以提高堆的工作性能。

48.核能材料

3）聚变堆的第一壁材料

它是聚变堆技术中要求最苛刻的材料。第一壁是托克马克型聚变堆包容等离子区和真空区的部件。它要经受14 MeV中子及其他高能带电粒子的轰击，其辐照效应比裂变堆所经受的要强得多，而且14MeV中子不仅会在材料中产生离位损伤，而且所造成的中子嬗变反应会产生大量的氢、氦等气体及其他杂质。由于第一壁与等离子体之间会发生强烈的相互作用，引起材料的严重剥蚀，所以第一壁的结构是由两种材料组成的，包括等离于体面向材料和结构材料。前者的研究对象主要有铍、钨、钨合金及复合材料，后者有不锈钢、钒合金及复合材料等。

49.核能材料

4）核废料的处理

在反应堆的运行和退役阶段均产生具有不同放射性的核废料。其中高放射性核废料最难处理。一方面由于其放射性强，而且有些核素具有几万年或更长的半衰期。如何保证这些放射性物质长期不扩散到生物圈中？一直是困扰核能利用的一大难题。最近正在研究利用核反应“焚烧” 这种废物，使之转化为无放射性或短半衰期的核素。

细菌电池

数十年来，研究人员试图将垃圾和污水中富含的糖类，转变成像酒精一样的燃料，用来燃烧发电。

美国马萨诸塞大学的科学家们发明了一种极具效率的方式，省去中间步骤，直接将糖转化为电能。他们利用的是一种从海泥中提取的亲糖微生物Rhodoferax ferrireducens. 这种杆菌会夺取糖分子的电子，并将这些负电荷转移到石墨电极上，以高于80%的能量转换效率来发电，持续数天。以前的微生物电池最多只有50%的电能转化率，而且要用到不稳定的成份，因此并不适用于长期发电。研究人员在2003年10月号的“自然与生物技术”中指出，如果改进新型电池的电极，应该可以再提高功率输出。

50.燃料电池材料

燃料电池在固定与分散电站、交通运输、移动电源等方面广泛的应用前景现已得到许多研究单位和公司的广泛关注。这里简要介绍几种主要类型燃料电池的特点、研究状况、市场需求和技术挑战。

碱性燃料电池（Alkaline Fuel cell—AFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell—PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell—MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell—SOFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell—PEMFC）、直接醇类燃料电池（Direct Alcohol Fuel Cell—DAFC).

51.燃料电池材料

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的电化学反应装置．一节燃料电池由阳极、阴极和电解质隔膜构成．燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，从而完成整个电化学反应．电解质隔膜的功能为分隔燃料和氧化剂并起到离子传导的作用。

1839年，英国科学家Grove首先介绍了燃料电池的原理性实验．约100年后，Bacon采用多孔气体扩散电极制备了培根型碱性燃料电池．20世纪60年代，燃料电池首次应用在美国航空航天管理局（NASA）的阿波罗登月飞船上作为辅助电源，为人类登月球做出了积极贡献，燃料电池的研究进入了快速发展阶段．后来称这一时期为燃料电池开发的空间时代（Space era）．

52 燃料电池材料

1973年，在全球能源危机的刺激下，为了提高能源利用率，研究重点从航天转向地面发电装置，磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）以及直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作燃料的固体

氧化物燃料电池（SOFC）作为固定电站或分散式电站相继问世，燃料电池的研究与开发掀起了新高潮，这一时期称为燃料电池开发的能源时代（energy era）。其后，随着能源危机的缓解，燃料电池的研究也随之冷淡下来。80年代末期，环境污染问题逐步恶化，1987年美国公布了来自发电站和交通运输方面的废气，如CO、NOx、SOx、粉尘等的污染物几乎相等，且总量超过大气中污染物的90％以上，以提高能源利用率，减少环境污染为目标的燃料电池研究开发工作引起了各国政府及科学家的重视，促进了燃料电池开发的环境时代（environmental era）的到来．

53.燃料电池材料

1993年，加拿大Ballard电力公司展示了一辆零排放、最高时速为72km／h、以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为动力的公交车”，引发了全球性燃料电池电动车的研究开发热潮。许多发达国家相继投入了大量人力、财力开展以PEMFC为动力电源的电动车、舰船、潜艇、水下机器人等研究与开发工作，并取得了长足进展。近些年来，由于直接醇类燃料电池（DAFC）的结构简单，燃料存储、携带方便等特点，在移动电源、微型电源以及传感器件等方面具有广阔的应用前景，作为一支新秀已成为燃料电池研究与开发的新的热点之一。

54 燃料电池材料

燃料电池的特点与技术状况：

燃料电池直接将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，不受卡诺热机循环的限制，只要提供燃料即可发电，其特点可概括如下：

1）能量转换效率高。理论上讲，燃料电池的能量转化效率可高达85％－90％．实际电池在工作时由于受各种条件的限制，目前各类燃料电池的能量转化效率约在40％－60％．若实现热电联供，燃料的总利用率可达80%以上。

55.燃料电池材料

2）环境友好。当燃料电池以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40％以上；若以纯氢气为燃料，其化学反应产物仅为水，从根本上消除了CO、NO x、SO x、粉尘等大气污染物的排放，可实现零排放。

(3)安静。燃料电池按电化学反应原理工作，运动部件少、工作噪声低。实验表明，一个40kW的PAFC电站，与其相距4．6m的噪声水平仅为50dB，而4．5MW和11MW的大功率PAFC电站的噪声水平也不

高于55dB．

听觉效果与声音的强弱

例（据科学2004第一期）

从1990年代中期开始，德国戴姆勒—克莱斯勒（Daimler Chrysler）汽车公司在燃料电池车的实际应用开发中一直处于领先地位。最近，该公司已经对第一批燃料电池车进行了运行测试。今年年初起，一些欧洲城市已向戴姆勒—克莱斯勒汽车公司预订了大约30辆燃料电池城市客车。基于梅赛德斯奔驰A级的汽车也将于今年年底在美国进行测试。燃料电池车使用氢（以压缩气体的形式储存）作为燃料，它与周围空气中的氧进行化学反应，生成物只有水而无任何其它有害气体。这样，燃料电池车美国加州委托的零烟雾、零温室气体排放的目标，第一辆燃料电池车将作为美国能源部的送货车，并在美国总统环保署设在密歇根州奥本山的加氢站补充燃料。

德国戴姆勒—克莱斯勒（Daimler Chrysler）燃料电池样车

加拿大ZECA联合公司和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室宣称将煤转化为氢燃料的过程推向市场

北美拥有丰富的煤储量，传统的燃煤发电厂向空中排放大量二氧化碳和其它温室气体。近几年来，美国洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）国家实验室针对发电提出了煤碳零排放概念。这一过程首先要将煤转化为甲烷，然后再重构生成氢和碳酸钙。氢用于燃料电池以产生电能，碳酸钙则分解为氧化钙和二氧化碳。二氧化碳再通过化学反应转变为矿物质（碳酸镁）埋入地下。本质上，碳又以矿物质的形式重新回到大地。这一过程的有效率达70%，差不多是目前燃煤电厂的两倍。1999年，成立了一个由能源公司和研究机构组成的共同体“煤碳零排放联盟”（ZECA），2001年，以赢利为目的的ZECA联合公司取代该联盟，目前正从事试验工厂的设计和建设。

加拿大ZECA联合公司和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室宣称将煤转化为氢燃料的过程推向市场

56.燃料电池材料

（4）可靠性高．AFC和PAFC作为空间电源、各种应急电源和不间断电源以及分散式电站的实际运行均证明了燃料电池的高度可靠性。

正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究与开发备受各国政府与公司的青睐，被认为是二十一世纪首选的、洁净的、高效的发电技术．各种燃料电池的发展与具体的研究与开发状况已有专门报道，其

技术状况如表1所示。

最新研究进展

据最近报道，美国威斯康星—麦迪逊大学James A. Dumesic开发了从植物中获取氢燃料的一种很经济的催化方法。

近年来，人们为了促进寄予厚望的氢经济时代的早日到来，一直在寻找廉价的制氢方法。Dumesic 开发了一种能够将植物中的碳水化合物直接转化为氢的催化方法。由于该过程在较低温度的液相下进行，与其他正在研究的方法相比，节能效果显著。Dumesic在2002年使用铂作为反应的催化剂，2003年改为便宜得多的镍锡合金。处理过程的主要副产品是水和二氧化碳。虽然二氧化碳是一种温室气体，但由于植物在后面的能量循环中能将它们完全吸收，因此不会净增加温室气体。（自Scientific American,V ol.289 (2003) No.5）

57 燃料电池材料

3)燃料电池的市场需求与技术挑战

世界石油储量与快速消耗的矛盾迫使各国政府千方百计地寻求新能源和提高现有资源的利用率以确保社会的繁荣昌盛与国家的长治久安；随着环境污染问题越来越受到重视，迫切需求新型无污染或零排放的交通运输工具。高能量密度、便携式的移动电源不仅在国防建设和国家安全领域需求迫切，而且在移动通讯、微型动力源等民用方面也具有广阔的应用前景。

58 燃料电池材料

燃料电池的商业化仍需克服技术、经济等方面的障碍。电池先进材料的开发制造技术、电池核心部件的制备组装技术以及以降低造价、延长寿命、提高可靠性为目的的电池系统及其子系统，如燃料处理、氢气储运、水热管理、热电联用、系统的监测与控制等都是制约燃料电池商业化的重要因素。就目前的技术状况而言,燃料电池的市场需求可能来源于以下几个方面：

59.燃料电池材料

固定电站和分散式电站

目前的技术挑战是改进MCFC的关键材料与制备技术，隔膜是该电池的核心部件。早期的MCFC主要采用氧化镁隔膜，由于氧化镁在熔盐中可微弱溶解，制备的隔膜易于破裂，现普遍采用带铸法制备偏铝酸锂电池隔膜，改善了离子电导率和抗碳酸熔盐腐蚀，但电池关键材料的腐蚀等问题依然存在，电池使用寿命与商业化要求尚有很大差距。

60 燃料电池材料

SOFC有管型和平板型两种结构。工作温度约为900—1000℃。德国的Siemens Westinghouse Power Corporation已经制造和运行了多套功率为220 kW的管式SO）FC电站，并形成了每年4 MW的生产能力，该电池的寿命预期为10年，未来商品化的寿命预期为10—20年。加拿大的Global热电公司的研发方向为中温平板型SOFC，主要面向分散供电、家庭热电联供市场。目前该公司已经形成每年1MW的生产能力，并开始向市场提供5 kW辅助电源。德国、法国、荷兰、英国、西班牙、丹麦等多个国家也先后开展了SOFC的研究与开发。

61.燃料电池材料

管型SOFC主要特点是电池组装相对简单，缺点是电流通过电池的路径较长，电阻较大，限制了SOFC的性能。平板式SOFC的优点是制备工艺简单，造价低，由于电流收集均匀，流程路径短，其输出功率密度高于管式。主要缺点是密封困难、抗热循环性能较差及难以组装成大功率电池组。值得关注的是近些年来SOFC发展趋势是600到800℃的中、低温电池组，工作温度的降低，可以在很大程度上拓展电池材料的选择范围。

提高电池运行的稳定性和可靠性、降低电池系统的制造和运行成本、开发在氧化还原气氛中具有足够的稳定性、离子电导率高、与其他电池材料具有化学相容性的电解质隔膜仍然是SOFC的研究重点。

62.燃料电池材料

美国能源部、国防部和NASA对SOFC和MCFC两种燃料电池的研发高度重观，2003年美国财政年度计划投资＄47，000，000，其中约＄11，500，000用于开发中央电站发电技术，其余的资金用于分散电站的开发．63.交通运输等动力电源

就目前的技术状况而言，PEMFC在交通、运输、低容量分散型电站等方面具有良好的市场前景，如电动车、潜艇的动力电源以及海岛、矿山、医院、商店等使用的移动电源。

64.燃料电池材料

继加拿大Balard电力公司1993年成功地演示了PEMFC电动巴士以来，国际上著名的汽车公司对PEMFC给予了高度重视，不同类型的概念车相继问世，如戴姆勒一克来斯勒公司的Necar 1-5型，雷诺公司的Laguna型、福特公司的P2000型、马自达公司的Demio型、丰田公司的RA V4型以及大众、通用、尼桑公司的概念车均采用PEMFC为单一动力或混合动力，在电池系统和整车研制方面取得了可喜的成就。

65.燃料电池材料

P2000型电动轿车以高压（24．82MPa）纯氢气体为燃料，三台Mark700型25kW PEMFC置于轿车后部行李箱底层，两个41L的碳纤维增强的贮氢罐置于轿车后部行李箱上层，空气过滤与增压部分置于轿车前部，整个系统重295 kg，轿车前轮驱动部分由电机、逆变器、场矢量控制组成，DC-DC转换器，12 V辅助蓄电池等部件均置于轿车前部，总重114kg，该车时速大于80km／h，从零加速至30km／h、60km/h 分别为4.2s和12.3s，可与内燃机车相媲美并具有较高的能量利用效率。Necar5电动轿车以车载甲醇重整制氢为燃料，发动机功率为75kW，最高时速达152—160km／h，一次加甲醇（55加仑）可行驶640——720km。

66 燃料电池材料

PEMFC另一个巨大的市场是潜艇动力源。核动力潜艇由于其造价高、退役时核动力设备处理较难等一系列问题不可能大量建造，而常规的柴油机和铅酸电池为动力的潜艇工作时的噪声、发热以及通气管等使得潜艇的隐蔽性与安全性受到严重威胁。因此，研究不依赖空气、可在水下长时间航行，并能完成各种任务的非核动力潜艇已势在必行。德国Semens公司已建造了四艘以300kW PEMFC为动力的混合驱动型潜艇，计划用作德国海军新型212型潜艇的动力电源。以PEMFC为动力的潜艇续航能力比斯特林发动机约长一倍，大大增强了潜艇的水下续航能力与作战能力，并提高了安全性与隐蔽性.

67.燃料电池材料

其他应用市场，如无缆水下机器人、家庭用分散电站、移动电源、不间断电源等也正在积极的开发中。随着PEMFC技术的日臻完善和成本的不断降低，新的应用市场也必将显露和开发出来。

从技术层面讲，目前有关PEMFC关键材料如催化剂、电极、质子交换膜、双极板等均取得了长足的进展，多孔电极、电池、电池组的制备组装技术也日臻完善。目前主要的技术挑战可能来源两个方面，一是燃料电池普遍存在的成本较高问题，就PEMFC而言，由于电极使用的均为铂基电催化剂，除了成本较高外还存在该贵金属的资源有限问题；质子交换膜、双极板等关键材料的成本也居高不下。二是氢源问题，现已成为PEMFC商业化的主要障碍。

68.燃料电池材料

目前解决氢源问题大体有三种技术方案，一是使用纯氢气；二是使用贮氢材料储氢；三是重整制氢，即将汽油、甲醇等液体燃料通过重整器制取氢气，世界许多石油公司已介入汽油重整制氢的开发，期望在不