新能源材料知識(shí)點(diǎn)整理

1、.能源按形成方式不同分為一次能源和二次能源；按循環(huán)方式不同分為可再生能源和不可再生能源；按使用性質(zhì)的不同分為含能體能源和過程能源；按環(huán)境保護(hù)的要求分為清潔能源和非清潔能源；按現(xiàn)階段的成熟程度分為常規(guī)能源和新能源。.新能源：相對(duì)于常規(guī)能源而言，以采用新技術(shù)和新材料而獲得，在新技術(shù)基 礎(chǔ)上系統(tǒng)的開發(fā)利用的能源。.金屬氫化物鍥電池的工作原理金屬氫化物鍥電池的正極活性物質(zhì)采用氫氧化鍥，負(fù)極活性物質(zhì)為儲(chǔ)氫合金，電解液為堿性水溶液，其基本電極反應(yīng)為：藻電正極反應(yīng) MOOH+IIjO+p Ki e 充電敖電負(fù)圾反應(yīng)辿淵5 aMM。自充電放電總反應(yīng) N j 00時(shí). ；虹、i(01).充電M為儲(chǔ)氫合金，MH為

2、儲(chǔ)有氫的儲(chǔ)氫合金。電池的充放電過程可以看作是氫原子或質(zhì)子從一個(gè)電極移到另一個(gè)電極的往復(fù) 過程。在充電過程中，通過電解水在電極表面上生成的氫不是以氣態(tài)分子氫形式 逸出，而是電解水生成的原子氫直接被儲(chǔ)氫合金吸收，并向儲(chǔ)氫合金內(nèi)部擴(kuò)散， 進(jìn)入并占據(jù)合金的品格間隙，形成金屬氫化物。在充電后期正極有氧氣產(chǎn)生并析 出，氧透過隔膜到達(dá)負(fù)極區(qū)，與負(fù)極進(jìn)行復(fù)合反應(yīng)生成水。.新能源：太陽能、氫能、核能、生物質(zhì)能、化學(xué)能源、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、可燃冰?儲(chǔ)氫合金電極材料的主要特征：(1)儲(chǔ)氫合金的可逆儲(chǔ)氫容量較高，平臺(tái)壓力適中，對(duì)氫的陽極氧化具有良好 的電催化性能(2)在氫的陽極氧化電位范圍內(nèi)，儲(chǔ)氫合金具有較強(qiáng)的

3、抗氧化性能(3)在強(qiáng)堿性電解質(zhì)溶液中，儲(chǔ)氫合金組分的化學(xué)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定(4)在反復(fù)充放電循環(huán)過程中，儲(chǔ)氫合金的抗粉化性能優(yōu)良(5)儲(chǔ)氫合金具有良好的電和熱的傳導(dǎo)性(6)合金的成本相對(duì)低廉.目前研究的儲(chǔ)氫合金負(fù)極材料主要有 AE5型稀土鍥系儲(chǔ)氫合金、AB型Laves 相合金、AB型鎂基儲(chǔ)氫合金以及V基固溶體型合金等類型。.影響AE5型儲(chǔ)氫合金電極材料性能的因素：(1)合金的化學(xué)成分與電極性能 (2)合金的表面改善處理與電極性能(3)合金的組織結(jié)構(gòu)與電極性能.鋰離子電池的工作原理？答：充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，通過電解質(zhì)擴(kuò)散到負(fù)極，并嵌入負(fù)極品格中，同時(shí)得到由外電路從正極流入的電子， 放電

4、過程則與之相反。正負(fù)極 材料一般均為嵌入化合物，在這些化合物的晶體結(jié)構(gòu)中存在著可供鋰離子占據(jù)的 空位?？瘴唤M成1維2維或3維的離子運(yùn)輸通道。例如LiCoO2和石墨為具有2 維通道的層狀結(jié)構(gòu)的典型嵌入化合物，分別以這兩種材料為正負(fù)極活性材料組成 鋰離子電池電極反應(yīng)為：Charge正極反應(yīng). Lrux G0O2 + Xli* + 附DischargeCharge員極反fi? C+4J* *的.*CLjkCtsehorgHCharge電池反應(yīng) IrCoOs + C ,* Um CoOt * CbxOischarao.影響高密度球形Ni (OH 2電化學(xué)性能的因素：(1)化學(xué)組成的影響(2)粒徑與粒徑

5、分布的影響(3)表面狀態(tài)的影響(4)微晶晶粒尺寸及缺陷的影響.鋰離子電池特點(diǎn)：(1)工作電壓高(2)能量密度高(3)能量轉(zhuǎn)換效率高(4)自放電率小(5)循環(huán)壽命長(6)具有高倍率充放電性(7)無任何記憶效應(yīng)，可隨時(shí)充放電(8)不含重金屬及有毒物質(zhì)，無環(huán)境污染， 是真正的綠色能源.一次電池：只能進(jìn)行一次放電的電池，不能進(jìn)行充放電而再利用。.二次電池：可以進(jìn)行多次充放電而可以多次使用的電池。.鋰離子電池負(fù)極材料選擇要求：(1)鋰離子在負(fù)極基體中的插入氧化還原電位盡可能低，接近金屬鋰的電位， 從而使電池的輸出電壓高(2)在基體中大量的鋰能夠發(fā)生可逆插入和脫插以得到高容量密度，即可逆的 x值盡可能大(

6、3)在整個(gè)插入/脫插過程中，鋰的插入脫插應(yīng)可逆且主體結(jié)構(gòu)沒有或很少發(fā)生 變化，這樣可確保良好的循環(huán)性能(4)氧化還原電位隨x變化應(yīng)該盡可能少，這樣電池的電壓不會(huì)發(fā)生很大變化， 可保持平穩(wěn)的充電和放電(5)插入化合物應(yīng)有較好的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率，這樣可以減少極化并能 進(jìn)行大電流充放電(6)主體材料具有良好的表面結(jié)構(gòu)，能夠與液體電解質(zhì)形成良好的SEI膜(7)插入化合物在整個(gè)電壓范圍內(nèi)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在形成 SEI膜后不 與電解質(zhì)等發(fā)生反應(yīng)(8)鋰離子在主體材料中具有較大的擴(kuò)散系數(shù)，便于快速充放電(9)主體材料應(yīng)便宜，對(duì)環(huán)境無污染。.鋰離子正極材料選擇要求：(1)鋰離子在嵌入化合物中應(yīng)具有

7、較高的氧化還原電位，從而使電池的輸出電 壓較高(2)在嵌入化合物中大量的鋰能夠發(fā)生可逆嵌入和脫嵌以得到高容量(3)在整個(gè)插入/脫插過程中，鋰的插入脫插應(yīng)可逆且主體結(jié)構(gòu)沒有或很少發(fā)生 變化，這樣可確保良好的循環(huán)性能(4)氧化還原電位隨x變化應(yīng)該盡可能少，這樣電池的電壓不會(huì)發(fā)生很大變化， 可保持平穩(wěn)的充電和放電(5)插入化合物應(yīng)有較好的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率，這樣可以減少極化并能進(jìn)行大電流充放電(6)插入化合物在整個(gè)電壓范圍內(nèi)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在形成 SEI膜后不 與電解質(zhì)等發(fā)生反應(yīng)(7)鋰離子在電極材料中具有較大的擴(kuò)散系數(shù)，便于快速充放電(8)主體材料應(yīng)便宜，對(duì)環(huán)境無污染。.二次鋰電池電解質(zhì)

8、材料應(yīng)具備的性能：(1)鋰離子電導(dǎo)率高(2)電化學(xué)穩(wěn)定性高，在較寬的電位范圍內(nèi)保持穩(wěn)定(3)與電極的兼容性好，在負(fù)極上能有效的形成穩(wěn)定的SEIM,在正極上在高電位條件下有足夠的抗氧化分解能力(4)與電極接觸良好，對(duì)于液體電解質(zhì)而言，應(yīng)能充分浸潤電極(5)低溫性能良好，在較低的溫度范圍內(nèi)能保持較高的電導(dǎo)率和較低的粘度，以便在充放電過程中保持良好的電極表面浸潤性(6)寬的液態(tài)范圍(7)熱穩(wěn)定性好，在較寬的溫度范圍內(nèi)不發(fā)生熱分解(8)蒸汽壓低，在使用溫度范圍內(nèi)不發(fā)生揮發(fā)現(xiàn)象(9)化學(xué)穩(wěn)定性好，在電池長期循環(huán)和儲(chǔ)備過程中，自身不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也 不與正極、負(fù)極、集流體、黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑、隔膜、包裝材料、

9、密封劑等材料發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)(10)無毒，無污染，使用安全，最好能生物降解(11)制備容易，成本低。.電解質(zhì)材料的分類：(1)非水有機(jī)液體電解質(zhì)(2)聚合物電解質(zhì)(3)無機(jī) 固體電解質(zhì).燃料電池：是一種在等溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效而又 環(huán)境友好的轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置.質(zhì)子交換膜型燃料電池的原理和特點(diǎn)原理：質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，以 Pt/C或Pt-Ru/C為電催化劑，以氫或凈化重整氣為燃料，以空氣或純氧為氧化 劑，并以帶有氣體流動(dòng)通道的石墨或表面改性金屬板為雙極板。PEMF呼的電極反應(yīng)雷同于其他酸性電解質(zhì)燃料電池。陽極催化層中的氫氣在催化

10、劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)。. 產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，氫離子經(jīng)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極。氧氣下氫離子及電 子在陰極發(fā)生反應(yīng)生成水。+ 4廣 - 2H2生成的水不稀釋電解質(zhì)，而是通過電極隨反應(yīng)尾氣排構(gòu)成PEMFC1池的關(guān)鍵材料與部件為電催化劑、電極、質(zhì)子交換膜、雙極板材料 及其流場設(shè)計(jì)。特點(diǎn)：PEMF除具有燃料電池一般特點(diǎn)(如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等)外， 還具有可在室溫下快速啟動(dòng)、無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率與能量 高等突出特點(diǎn)。. (93頁)熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理。答：構(gòu)成MCFC勺關(guān)鍵材料與部件為陽極、陰極、隔膜和集流板或雙極板。電極 反應(yīng)：陰極反應(yīng)；/+ CO； * 2亡-CO

11、j陽極反應(yīng)；H2+ CO/ -CQ2 + H?O+2l總反應(yīng)：+4十(6C陽極)一一260 4(：5(陽極)由電極反應(yīng)可知MCFCI池的導(dǎo)電離子為CG2-,此電池與其他類型燃料電池的區(qū) 別是，在陰極CO為反應(yīng)物，在陽極CO為產(chǎn)物，因此，電池工作過程中 CO在循 環(huán)。為確保電池穩(wěn)定連續(xù)工作，必須使陽極產(chǎn)生的CO返回到陰極，一般做法是： 將陽極室排出的尾氣燃燒，消除其中的氫和一氧化碳，經(jīng)分離除水，再將CO返回到陰極。.(101-102頁)固體氧化物燃料電池的工作原理。固體氧化物燃料電池(SOFC以固體氧化物作為電解質(zhì)。這種氧化物在較高溫度 下具有傳遞C2-的能力，在電池中起傳遞C2-和分離空氣、燃

12、料的作用。在陰極(空 氣電極)上，氧分子得到電子，被還原成氧離子，即 Q+4e- 2O-。氧離子在電池 兩側(cè)氧濃度差驅(qū)動(dòng)力的作用下，通過電解質(zhì)中的氧空位定向躍遷，遷移到陽極(燃 料電極)上與燃料進(jìn)行氧化反應(yīng)，即 2O-+2H-2HO+4e或4C2-+CH-2HO+C2+8e 電池總反應(yīng)：2H+O-2H?；?CH+2O 2HO+CO.燃料電池按電解質(zhì)的不同分類：堿性氫氧燃料電池、磷酸型燃料電池、質(zhì)子 交換膜型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固體氧化物燃料電池22太陽能電池根據(jù)所用材料的不同可分為硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、有機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池及納米晶太陽能電池等類型太陽能電池按結(jié)的構(gòu)

13、成可分為同質(zhì)結(jié)太陽能電池、異質(zhì)結(jié)太陽能電池、肖特 基結(jié)太陽能電池、液結(jié)太陽能電池太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為 單晶、多晶、薄膜、絨面和非晶態(tài)等太陽能電 池23太陽能電池的特點(diǎn)：(1)太陽能無公害，是一種取之不盡用之不竭的清潔能源(2)有太陽的地方便可發(fā)電，因此使用方便(3)結(jié)構(gòu)簡單，無可動(dòng)部分、無機(jī)械磨損，因此使用壽命較長(4)太陽能電池能直接將光能轉(zhuǎn)換成電能，不會(huì)產(chǎn)生廢氣、有害物質(zhì)等，發(fā)電 時(shí)無噪聲，管理和維護(hù)簡便(5)太陽能電池的發(fā)電隨入射光、季節(jié)、天氣、時(shí)刻等的變化而變化，夜間不 能發(fā)電(6)太陽光強(qiáng)的變化對(duì)于太陽能電池的輸出電壓影響較小，也就是說其輸出電 壓比較平穩(wěn)，很適合蓄電池的充電(

14、7)所產(chǎn)生的電是直流電，并且無蓄電功能，要有充電的蓄電池相配合(8)發(fā)電成本較高.太陽能電池的工作原理：首先，材料吸收光子后，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；然后，電性相反的先生載流子被半導(dǎo)體中 p-n結(jié)所產(chǎn)生的靜電場分開；最后。光生載流子被太陽能電池的兩極所收集，并在電路中產(chǎn)生電流，從而獲得電能。25硅太陽能電池可分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能 電池單晶硅太陽能電池單晶硅材料分為四級(jí)：冶金級(jí)硅、半導(dǎo)體級(jí)硅、太陽能級(jí)硅、 單晶硅棒。26硅太陽能電池制造工藝：（1）硅片切割（2）硅片的表面制備（3）制絨（4） 擴(kuò)散制結(jié)（5）去背結(jié)、邊緣刻蝕（6）絲網(wǎng)印刷上下電極（7）沉積減反射層（8）

15、共燒形成金屬接觸（9）電池片測試27非晶硅太陽能電池的特點(diǎn)（1）非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)（2）非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大（3）材料和制造工藝成本低（4）易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力28簡述LED發(fā)光原理：其基本工作機(jī)理是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換過程，由于電流注入產(chǎn) 生的少數(shù)載流子是不穩(wěn)定的，對(duì)于P-N結(jié)系統(tǒng)，注入價(jià)帶中的非平衡空穴要與導(dǎo) 帶中的電子復(fù)合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射，這就是LED發(fā)光的基本原理。29LED光源特點(diǎn)：（1）工作壽命長（2）耗電低（3）響應(yīng)時(shí)間快（4）體積小、質(zhì)量輕、耐沖擊（5）易于調(diào)光、調(diào)色，可控性大（6）綠色、環(huán)保30合成白光LED3t源的三基色為紅光、綠光和藍(lán)光31稱為

16、半導(dǎo)體發(fā)光材料的條件有哪些：（1）半導(dǎo)體帶隙寬度與可見光和紫外光光子能量相匹配（2）只有直接帶隙半導(dǎo)體才有較高的輻射復(fù)合概率（3）要求有好的晶體完整性、可以用合金方法調(diào)節(jié)帶隙、有可用的P型和N型材料以及可以制備能帶形狀預(yù)先設(shè)計(jì)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)。32實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明有哪些方法：答：（1）采用藍(lán)色LED激光黃光熒光粉，實(shí)現(xiàn)二元混色白光（2）利用UVLED激發(fā)三基色熒光粉，由熒光粉發(fā)出的光合成白光。（3）基于三基色原理，利用紅綠藍(lán)三基色 LED芯片合成白光。33YAG Ce3+g光機(jī)理來自基態(tài)4f1和激發(fā)態(tài)5d1帶間允許的電子躍遷。位于460nm 的最低吸收帶來自最低的 午5/2子能級(jí)到激發(fā)的2D帶的躍遷。發(fā)射光譜來自斯托克 斯位移了的2時(shí)至F5/2 （520nm和2F7/2 （580nn子能級(jí)的躍遷。在室溫下，兩組 發(fā)射線交疊，產(chǎn)生了一個(gè)寬帶。由于460nm付近的激發(fā)峰與藍(lán)光發(fā)光二極