納米材料在綠色能源中的應用

納米材料在綠色能源中的應用第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二納米材料在綠色能源中的應用第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Non-RenewableEnergySourcesConventionalPetroleumNaturalGasCoalNuclearUnconventional(examples)OilShaleNaturalgashydratesinmarinesediment 能源的種類第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二RenewableEnergySourcesSolarphotovoltaicsSolarthermalpowerPassivesolarairandwaterheatingWindHydropowerBiomassOceanenergyGeothermalWastetoEnergy能源的種類第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二CleanEnergyCleancoaltechnologyNaturegasNaturalgashydratesNuclearHydrogenFuelcellRechargeablebatteriesSolarenergyWindHydropowerBiomassOceanenergyGeothermal第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二納米材料用于鋰離子電池納米材料用于超級電容器納米材料用于制氫和儲氫納米材料用于燃料電池納米材料在綠色能源中的應用第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二納米材料用于鋰離子電池第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二化學電源的發(fā)展:一次電池干電池鋅錳酸性干電池鋅錳堿性干電池二次電池蓄電池鉛酸蓄電池鎳鎘堿性蓄電池鎳氫堿性蓄電池鋰離子電池燃料電池氫氧燃料電池有機物燃料電池第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二鋰離子二次電池20世紀70年代，材料學界、物理學界和化學界同時對石墨嵌入化合物開展了深入研究，發(fā)現鋰等金屬元素可以嵌入到石墨層間，形成石墨嵌入化合物。1990年，日本SONY公司研制出了鋰離子電池并開始實現商品化，在二次電池的歷史上實現了一次飛躍。第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二鋰離子電池的應用優(yōu)勢工作電壓高：鋰離子電池的工作電壓在3.6V，是鎳鎘和鎳氫電池工作電壓的三倍。比能量高：鋰離子電池比能量目前已達150Wh/kg，是鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.5倍。循環(huán)壽命長：目前鋰離子電池循環(huán)壽命已達1000次以上，在低放電深度下可達幾萬次，超過了其他幾種二次電池。自放電?。轰囯x子電池月自放電率僅為6－8％，遠低于鎳鎘電池（25～30％）及鎳氫電池（30～40％）。對環(huán)境無污染：鋰離子電池中不存在有害物質，是名副其實的“綠色電池”。第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二

鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池性能的對比：

技術參數

鎳鎘電池

鎳氫電池

鋰離子電池

工作電壓（V）

1.2

1.2

3.6

重量比能量(Wh/Kg)

50

65

105-140

體積比能量(Wh/l)

150

200

300

充放電壽命(次)

500

500

1000

自放電率（%/月）

25-30

30-35

6-9

有無記憶效應

有

有

無

有無污染

有

無

無

（注：充電速率均為1C）

第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二鋰離子電池的構成正極：鈷酸鋰（

LiCoO2

）、鎳酸鋰（

LiNiO2

）錳酸鋰（

LiMn

2

O

4

）等；

負極：人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等等；

隔膜：聚乙烯（

PE

）、聚丙?。?/p>

PP

）等組成的單層或者多層的微多孔薄膜；

電解液：碳酸丙稀酯（

PC

）、碳酸乙烯酯（

EC

）、二甲基碳酸酯（

DMC

）、二乙基碳酸酯（

DEC

）、甲基乙基碳酸酯（

MEC

）等組成的一元、二元或者三元的混合物

第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二離子電池工作鋰原理non-aqueousliquidelectrolytechargedischargecathode(LiCoO2)anode(C)LiCoO2

Li+ionsareshuttledbetweenelectrodesduringchargeanddischargecathodeGraphite(C)anodeOrganicliquidelectrolyteSONYbattery(1990)Li+arethecarriers第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二NewmaterialsforcathodesLiNiO2LiNi1-yCoyO2LiMnO2

LiMn2O4(spinelstructure)LiFePO4(olivinestructure)Requisites:layeredstructureor3DstructurescontainingpathwaysforLi+Layeredstructures3DstructuresFocus:materialswhichcanreplaceLiCoO2(cheap,non-toxic)第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二近期的熱點——LiFePO4Ideally,LiFeO2forlowcostandtoxicityLiFeO2doesnotoffersatisfactoryperformanceLiFePO4offersbetterperformanceOlivineLiFePO4Disadvantage:lowconductivity(PO4)3-substitutesforO2-LayeredLiFeO2第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Influenceofnanostructureontheperformanceofthecathode構建納米級的孔隙結構，可在保證容量的情況下，有效提高充放電效率第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二LiFe0.9P0.95O4-δwassynthesizedbyball-millingLi2CO3,FeC2O4·2H2OandNH4H2PO4inappropriateamounts.采用納米化的LiFePO4組裝的鋰電池，具有優(yōu)異的能量特性及功率特性第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二負極材料：炭材料石墨天然或人工石墨石墨化碳碳纖維介穩(wěn)相球狀碳非石墨軟碳（焦炭）硬碳Polyacene線性石墨混合物摻雜型碳金屬氧化物：SnO2、WO2、MoO2、TiO2、

VO2、LixFe2O3、Li4Ti5O12等第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二用于鋰離子電池的炭材料的結構第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二納米炭材料用于鋰離子電池負極材料第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Li-ionsecondarybattery0,372Ahg-1(max.C6Li)graphiteC3,7Li(~0.600Ahg-1)第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二在碳納米管上引入羰基官能團，保證了高容量；并保留大量的孔隙，大幅提高器件的功率密度第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二構建合理的離子通道提高器件的功率特性第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Discharge(lithiation):

MO

+

Li+

+

e?

→

M

+Li2OCharge(delithiation):

M

+Li2O

→

MO

Li++e?HighlyActiveNoActivity金屬氧化物用于高容量二次鋰離子電池電極材料金屬氧化物顆粒金屬氧化物粉末顆粒開裂體積膨脹第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二ActivemetaloxidesGraphenelayers石墨層包覆金屬氧化物電極材料第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二與市場上的納米氧化鈷粉末性能的比較第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二優(yōu)點：循環(huán)性能好，幾乎無體積效應缺點：儲鋰電位高，與正極材料匹配后工作電壓為2V第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二動力鋰離子電池寶馬、奔馳、奧迪、本田、比亞迪、奇瑞已有相關車型第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二混合動力車第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二純電動汽車第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二納米材料用于超級電容器第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二什么是超級電容器

超級電容是近幾年才批量生產的一種無源器件，介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電特性，同時也有電池的儲能特性，并且重復使用壽命長，放電時利用移動導體間的電子（而不依靠化學反應）釋放電流，從而為設備提供電源。第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二超級電容技術原理

超級電容器也屬于雙電層電容器，容量大，利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。傳統(tǒng)物理電容中儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離，兩塊極板之間為真空（相對介電常數為1）或一層介電物質（相對介電常數為ε）所隔離，電容值為：

C=ε·A/3.6πd·10-6(μF)

其中A為極板面積，d為介質厚度

所儲存的能量為：

E=1/2C（ΔV）2

第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二超級電容器與傳統(tǒng)電容器的不同

電容是以將電荷分隔開來的方式儲存能量的，儲存電荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小，電容越大。傳統(tǒng)電容是從平板狀導電材料得到其儲存電荷面積的，只有將一很長材料纏繞起來才能獲得大的面積，從而獲得大的電容。另外傳統(tǒng)電容是用塑料薄膜、紙張或陶瓷等將電荷板隔開。這類絕緣材料的厚度不可能做得非常簿。超級電容是從多孔碳基電極材料得到其儲存電荷面積的，這種材料的多孔結構使它每克重量的表面積可達2000平方米。而超級電容中電荷分隔的距離是由電解質中的離子大小決定的，其值小于10埃。巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離，使得超級電容有很大的電容。一個超級電容單元的電容值，可以從一法拉至幾千法拉。第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二體積小，容量大，電容量比同體積電解電容容量大30~40倍充電速度快，10秒內達到額定容量的95%充放電能力強失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠超長壽命，可長達40萬小時以上充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，真正免維護電壓類型：2.7V---12.0V容量范圍：0.1F—1000F超級電容器的特性第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二超級電容&二次電池的比較第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Ti2AlC@1000C020406080100120140160180200MWNT[1]SWNT[2]fb-MWNT[3]a-C[3]Ccloth[4]B4C@1000CCapacitance(F/g)各種納米炭材料用于超級電容器第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Althoughthecommercialactivatedcarbonnevershowsarectangularresponsewithchangingpotentialsatascanratefasterthan50mV/s,MCNDcanaffordhigh-speedcharge–dischargeperformanceataratefasterthan400mV/sandcurrentdensitieshigherthan40A/g.多孔納米炭材料用于超級電容器Rate:400mV/scurrentdensity:40A/g.第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二NanoLett.2010,10,4863–4868肼還原GO理論雙電層比電容550F/g電解液：離子液體提高器件高能量密度第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Graphene-CTNs理論模型第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二TheCNT/AuNWhybridelectrodesshowedexcellentelectrochemicalperformancewithamaximumpowerdensityof48kWkg1whichisattributedtothewelladheredinterfacebetweenCNTandAuNWsegments.納米結構材料用于超級電容器Powerdensityof48kWkg-1垂直于集流體的碳納米管陣列第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二多孔Au為集流體，MnO2為活性物質，構建透明、柔性超級電容器第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二超級電容的應用作為固定線路電動汽車的主電源，提供短途行駛所需要的能量作為燃料電池電動車的輔助動力電源，與燃料電池主電源形成混合動力，提供瞬間大功率（啟動、爬坡、加速時）并回收剎車能量，起到重要的功率平衡作用作為車輛、機械、船舶等設備中燃油發(fā)動機的輔助電源，形成油電混合動力，大幅度降低燃油的消耗、提高發(fā)動機峰值功率并減少有害氣體排放作為電池型電動工具的主電源，提供短時驅動的能量作為太陽能、風能發(fā)電系統(tǒng)中的永久性蓄能裝置作為電站直流操作電源、高壓環(huán)網功率補償電源等；在電子電器（汽車音響、儀器儀表、家用電器、手機、電腦、數碼相機……）中作為備用電池或主電池第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二納米材料用于制氫和儲氫第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二氫能源氫是自然界中最普遍的元素，資源無窮無盡－不存在枯竭問題氫的熱值高，燃燒產物是－零排放，無污染，可循環(huán)利用氫能的利用途徑多－燃燒放熱或電化學發(fā)電氫的儲運方式多－氣體、液體、固體或化合物實現氫能利用的關鍵廉價而又高效的制氫技術安全高效的儲氫技術－開發(fā)新型高效的儲氫材料和安全的儲氫技術是當務之急第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二氨分解制氫第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二生物途徑制氫第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二太陽能制氫第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二Science331,746(2011)1hourofsolarirradiationgenerated0.2T0.02mmolofH2using0.02gofdisorder-engineeredblackTiO2nanocrystals(10mmolhour–1g–1ofphotocatalysts).有效減小了材料的帶隙，增強了對太陽光的利用效率第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二不同儲氫方式的比較

氣態(tài)儲氫：能量密度低不太安全液化儲氫：能耗高對儲罐絕熱性能要求高

固態(tài)儲氫的優(yōu)勢：體積儲氫容量高無需高壓及隔熱容器安全性好，無爆炸危險可得到高純氫，提高氫的附加值第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二體積比較第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二氫含量比較第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二MOF-74MOF-5第58頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二納米材料用于燃料電池第59頁，共65頁，2023年，2月20日，星期二現今燃料電池的分類低溫燃料電池（60—120℃）中溫燃料電池(160—220℃)高溫燃科電池(600—1000℃)類型

AFC堿性燃料電池PEMFC或SPF