新能源材料复习资料

1. 太阳能光电转换电池（晶体硅电池、薄膜电池）的工作原理、特点及应用。

薄膜太阳电池（非晶硅） 特点非晶硅太阳能电池的优点

1非晶硅具有较高的光吸收系数。

这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。 2非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。

③材料和制造工艺成本低、设备简单；而且非晶硅薄膜厚度仅有数千埃，不足 非晶硅太阳电池硅基薄膜太阳电池有机电池薄膜太阳能电池砷化稼薄膜太阳电池CdTe薄膜太阳电池CuInSe薄膜太阳电池化合物半导体薄膜太阳电池染料敏化太阳电池多晶硅太阳电池晶体硅太阳电池厚度的百分之一，大大降低了硅原材料的成本；沉积温度为100～300oC。

④易于形成大规模的生产能力，这是因为非晶硅适合制作特大面积、无结构缺陷的薄膜，生产可全流程自动化，显著提高劳动生产率。（最大1100mm*1250mm单结晶非晶硅太阳电池）

⑤由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，如不锈钢、塑料甚至廉价的玻璃衬底

⑥多品种和多用途，不同于晶体硅，在制备非晶硅薄膜时，只要改变原材料的气相成分或气体流量，便可使非晶硅薄膜改性，制备出新型的太阳电池结构；并且根据器件功率、输出电压和输出电流的要求，可以自由设计制造， 方便地制作出适合不同需求的多品种产品。

⑦易实现柔性电池，非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且其硅原子网络结构的力学性能特殊，因此，它可以制备成轻型、柔性太阳电池，易于与建筑集成。

⑧制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。

非晶硅太阳能电池的缺点

① 晶体硅相比，非晶硅薄膜太阳电池的效率相对较低，在实验室中电池的稳定最高光电转换效率只有13％左右。在实际生产线中，非晶硅薄膜太阳电池的效率也不超过10％；

② 非晶硅薄膜太阳电池的光电转换效率在太阳光的长期照射下有一定的衰减，到目前为止仍然未根本解决。所以，非晶硅薄膜太阳电池主要应用于计算器、表、玩具等小功耗器件中。应用规模从手表、计算器、发展到兆瓦级独立电站，应用范围涉及多种电子消费产品、通信、照明、户用电源、光伏灌溉及中小型并网发电等。 发展趋势

作为非常有希望的低成本太阳能电池，开发新结构，提高效率和稳定性，将会使非晶硅太阳能电池在民用及独立电源系统中获得广泛应用。 多晶硅薄膜太阳能电池： 特点

多晶硅电池既具有晶体电池的特点，又具有非晶硅电池成本低，设备简单且可以大规模制备等优点。

多晶硅薄膜与非晶硅一样，具有低成本、大面积和制备简单的优势。

它的衬底便宜，硅材料用量少，而且没有光衰减问题，结合了晶体硅和非晶硅材料的优点，但是，由于晶粒较小等原因，其太阳能光电转换效率依然较低，到现在为止，尚未有大规模工业生产。多晶硅薄膜主要分为两类：一类是晶粒较大，完全由多晶硅颗粒组成；另一类是由部分晶化、晶粒细小的多晶硅镶嵌在非晶硅中组成。 发展趋势

在多晶硅薄膜研发中，目前人们非常关注：如何在廉价的衬底上，能够高速、高质量地生长多晶硅薄膜；多晶硅薄膜的制备温度要尽量低，以便选用低价优质的衬底材料；多晶硅薄膜电学性能的高可控性和高重复性。因此多晶硅薄膜被认为是理想的新一代的太阳能光电材料

2. 氢能与燃料电池（分类、结构、工作原理、应用）。

氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，演绎了自然物质循环利用、持续发展的经典过程

重量最轻的元素

标准状态下，密度为 0.0899g/l，－252.7℃时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢可变为金属氢。

导热性最好的气体

比大多数气体的导热系数高出10倍。

普遍元素

据估计它构成了宇宙质量的 75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

理想的发热值

除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。

燃烧性能好 点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。 无毒 与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二

氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。产物水无腐蚀性，对设备无损。

利用形式多 既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料

用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。

可以多种形态存在 以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的

不同要求。

耗损少 可以取消远距离高压输电，代以远近距离管道输氢，安全性相对提高，能源无效损

耗减小。

利用率高 氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高。

运输方便 氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具有效载荷，这样可以降低运输成本从全

程效益考虑社会总效益优于其他能源。

减少温室效应 氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应

氢动力汽车 以氢气代替汽油作汽车发动机的燃料，已经过日本、美国、德国等许多汽世公

司的试验，技术是可行的，目前主要是廉价氢的来源问题。氢是一种高效燃料，每公斤氢燃烧所产生的能量为33.6千瓦小时，几乎等于汽车燃烧的2.8倍。氢气燃烧不仅热值高，而且火焰传播速度快，点火能量低（容易点着），所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高20%。当然，氢的燃烧主要生成物是水，只有极少的氮氢化物，绝对没有汽油燃烧时产生的一氧化碳、二氧化硫等污染环境的有害成分。氢能汽车是最清洁的理想交通工具。

氢能汽车的供氢问题，目前将以金属氢化物为贮氢材料，释放氢气所需的热可由发动机冷却水和尾气余热提供。现在有两种氢能汽车，一种是全烧氢汽车，另一种为氢气与汽油混烧的掺氢汽车。掺氢汽车的发动机只要稍加改变或不改变，即可提高燃料利用率和减轻尾气污染。使用掺氢5%左右的汽车，平均热效率可提高15%，节约汽油30%左右。因此，近期多使用掺氢汽车，待氢气可以大量供应后，再推广全燃氢汽车。德国奔驰汽车公司已陆续推出各种燃氢汽车，其中有面包车、公共汽车、邮政车和小轿车。以燃氢面包车为例，使用200公斤钛铁合金氢化物为燃料箱，代替65升汽油箱，可连续行车130多公里。德国奔驰公司制造的掺氢汽车，可在高速公路上行驶，车上使用的储氢箱也是钛铁合金氢化物。

掺氢汽车的特点是汽油和氢气的混合燃料可以在稀薄的贫油区工作，能改善整个发动机的燃烧状况。在中国许当城市交通拥挤，汽车发动机多处于部分负荷下运行、采用掺氢汽车尤为有利。特别是有些工业余氢（如合成氨生产）未能回收利用，若作为掺氢燃料，其经济效益和环境效益都是可取的。

氢能发电

大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送给用户。但是各种用电户的负荷不同，电网有时是高峰，有时是低谷。为了调节峰荷、电网中常需要启动快和比较灵活的发电站，氢能发电就最适合抢演这个角色。利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组。这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机，它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因此结构简单，维修方便，启动迅速，要开即开，欲停即停。在电网低负荷时，还可吸收多余的电来进行电解水，生产氢和氧，以备高峰时发电用。这种调节作用对于用网运行是有利的。另外，氢和氧还可直接改变常规火力发电机组的运行状况，提高电站的发电能力。例如氢氧燃烧组成磁流体发电，利用液氢冷却发电装置，进而提高机组功率等。

更新的氢能发电方式是氢燃料电池。这是利用氢和氧（成空气）直接经过电化学反应而产生电能的装置。换言之，也是水电解槽产生氢和氧的逆反应。70年代以来，日美等国加紧研究各种燃料电池，现已进入商业性开发，日本已建立万千瓦级燃料电池发电站，美国有30多家厂商在开发燃料电池.德、英、法、荷、丹、意和奥地利等国也有20多家公司投入了燃料电池的研究，这种新型的发电方式已引起世界的关注。

燃料电池的简单原最巧是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能源转换效率可达60%—80%，而且污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活。最早，这种发电装置很小，造价很高，主要用于宇航作电源。现在已大幅度降价，逐步转向地面应用。目前，燃料电池种类很多，主要有以下几种：

燃料电池

磷酸盐型燃料电池是最早的一类燃料电池，工艺流程基本成熟，美国和日本已分别建成4500千瓦及11 000千瓦的商用电站。这种燃料电池的操作温度为200℃，最大电流密度可达到150毫安/平方厘米，发电效率约45%，燃料以氢、甲醇等为宜，氧化剂用空气，但催化剂为铂系列，目前发电成本尚高，每千瓦小时约40～50美分。

融熔燃料

融熔碳酸盐型燃料电池一般称为第二代燃料电池，其运行温度650℃左右，发电效率约55%，日本三菱公司已建成10千瓦级的发电装置。这种燃料电池的电解质是液态的，由于工作温度高，可以承受一氧化碳的存在，燃料可用氢、一氧化碳、天然气等均可。氧化剂用空气。发电成本每千瓦小时可低于40美分。

固体电池

固体氧化物型燃料电池被认为是第三代燃料电池，其操作温度1000℃左右，发电效率可超过60%，目前不少国家在研究，它适于建造大型发电站，美国西屋公司正在进行开发，可望发电成本每千瓦小时低于20美分。此外，还有几种类型的燃料电池，如碱性燃料电池，运行温度

约200℃，发电效率也可高达60%，且不用贵金属作催化剂，瑞典已开发200千瓦的一个装置用于潜艇。美国最早用于阿波罗飞船的一种小型燃料电池称为美国型，实为离子交换膜燃料电池，它的发电效率高达75%，运行温度低于100℃，但是必需以纯氧作氧化剂。后来，美国又研制一种用于氢能汽车的燃料电池，充一次氢可行300公里，时速可达100公里，这是一种可逆式质子交换膜燃料电池，发电效率最高达80%。

燃料电池理想的燃料是氢气，因为它是电解制氢的逆反应。燃料电池的主要用途除建立固定电站外，特别适合作移动电源和车船的动力，因此也是今后氢能利用的孪生兄弟。

时至今日，氢能的利用已有长足进步。自从1965年美国开始研制液氢发动机以来，相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢做燃料。我国长征2号、3号也使用液氢做燃料。利用液氢代替柴油，用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃。氢汽车靠氢燃料、氢燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。目前，世界各国正在研究如何能大量而廉价的生产氢。利用太阳能来分解水是一个主要研究方向，在光的作用下将水分解成氢气和氧气，关键在于找到一种合适的催化剂。如今世界上有50多个实验室在进行研究，但至今尚未有重大突破，但它蕴育着广阔的前景。

发展氢能源，将为建立一个美好、无污染的新世界迈出重要一步。

在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。这是因为，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。

氢是一种无色的气体。燃烧一克氢能释放出142千焦尔的热量，是汽油发热量的3倍。氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻多了，因而携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢在氧气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达2500℃，因而人们常用氢气切割或者焊接钢铁材料。

在大自然中，氢的分布很广泛。水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法从水中制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。

氢的用途很广，适用性强。它不仅能用作燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热放氢的本领，可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。

氢作为气体燃料，首先被应用在汽车上。1976年5月，美国研出一种以氢作燃料的汽车；后来，日本也研制成功一种以液态氢为燃料的汽车；70年代末期，前联邦德国的奔驰汽车公司已对氢气进行了试验，他们仅用了五千克氢，就使汽车行驶了110公里。

用氢作为汽车燃料，不仅干净，在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，完全可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。更令人感兴趣的是，只要在汽油中加入4%的氢气。用它作为汽车发动机燃料，就可节油40%，而且无需对汽油发动机作多大的改进。

氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁罐车、公路拖车或者轮船运输都很方便。液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。

另外，使用氢—氢燃料电池还可以把氢能直接转化成电能，使氢能的利用更为方便。目前，这种燃料电池已在宇宙飞船和潜水艇上得到使用，效果不错。当然，由于成本较高，一时还难以普遍使用。

现在世界上氢的年产量约为3600万吨，其中绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取的，这就得消耗本来就很紧缺的矿物燃料；另有4%的氢是用电解水的方法制取的，但消耗的电能太多，很不划算，因此，人们正在积极探索研究制氢新方法。

随着太阳能研究和利用的发展，人们已开始利用阳光分解水来制取氢气。在水中放入催化剂，在阳光照射下，催化剂便能激发光化学反应，把水分解成氢和氧。例如，二氧化钛和某些含钌的化合物，就是较适用的光水解催化剂。人们预计，一旦当更有效的催化剂问世时，水中取“火”——制氢就成为可能，到那时，人们只要在汽车、飞机等油箱中装满水，再加入光水解催化剂，那么，在阳光照射下，水便能不断地分解出氢，成为发动机的能源。

本世纪70年代，人们用半导体材料钛酸锶作光电极，金属铂作暗电极，将它们连在一起，然后放入水里，通过阳光的照射，就在铂电极上释放出氢气，而在钛酸锶电极上释放出氧气，这就是我们通常所说的光电解水制取氢气法。

科学家们还发现，一些微生物也能在阳光作用下制取氢。人们利用在光合作用下可以释放氢的微生物，通过氢化酶诱发电子，把水里的氢离子结合起来，生成氢气。前苏联的科学家们已在湖沼里发现了这样的微生物，他们把这种微生物放在适合它生存的特殊器皿里，然后将微生物产生出来的氢气收集在氢气瓶里。这种微生物含有大量的蛋白质，除了能放出氢气外，还可以用于制药和生产维生素，以及用它作牧畜和家禽的饲料。现在，人们正在设法培养能高效产

氢的这类微生物，以适应开发利用新能源的需要。

燃料电池特点分类

1 按燃料电池的运行机理分

根据燃料电池的运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。例如磷酸燃料电池(PAFC)和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC)。

2按电解质种类分

根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。即碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。

3按燃料类型分

燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。

4按工作温度分

根据燃料电池工作温度的不同，可分为低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200-750℃；高温型，温度高于750℃。质子交换膜燃料电池(PEMFC)在常温下可以正常工作，这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂，燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。熔融碳酸盐燃料电池(M C F C)和固体氧化物燃料电池(SOFC)在高温下作，这类燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大。

燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

3. 锂离子电池的工作原理与特点。

锂离子电池作用机理

锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入

或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。 锂离子电池优点：

? 高能量密度：因电极材料不同而不同，按质量计算，可达150～200Wh/kg(540～720kJ/kg)；按体积计算，可达250～530Wh/L(0.9～1.9kJ/cm3)。

? 开路电压高：因电极材料不同而不同，可达3.3～4.2V。

? 输出功率大：因电极材料不同而不同，可达300～1500W/kg(@20秒)。 ? 无记忆效应:磷酸铁锂锂离子电池无记忆效应，电池在未放空电的情况下可随时充放电，使用维护简便。

? 低自放电：<5％～10％/月。智能型锂离子电池由于有内建的监测电路，这个监测电路的工作电流甚至高于自放电电流。

? 工作温度范围宽：可在-20℃～60℃之间正常工作。 ? 充、放电速度快

因此，锂离子电池广泛应用于消费电子产品、军工产品、航空产品等。

缺点

衰老：与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高，所以，在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨，似乎可以延长寿命。储存温度与容量永久损失速度的关系如下：

? 回收率：大约有1％的出厂新品因种种原因需要回收。

? 不耐受过充：过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池寿命缩短。

? 不耐受过放：过放电时（电压小于3.0V时放电），电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。 ? 需要多重保护机制。

4. 锂离子电池的分类及正极材料与隔膜材料的分类和应用前景

分类：依据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池两大类。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都

是相同的，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同, 锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。

锂离子电池隔膜特性

锂电池隔膜的要求：（1）具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；（2）有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性；（3）由于电解质的溶剂为强极性的有机化合物，隔膜必须耐电解液腐蚀，有足够的化学和电化学稳定性；（4）对电解液的浸润性好并具有足够的吸液保湿能力；（5）具有足够的力学性能，包括穿刺强度、拉伸强度等，但厚度尽可能小；（5）空间稳定性和平整性好；（6）热稳定性和自动关断保护性能好。动力电池对隔膜的要求更高，通常采用复合膜。（6）隔膜受热收缩要小，否则会引起短路，进而引发电池热失控。

锂离子电池隔膜材料的分类

根据不同的物理、化学特性，锂电池隔膜材料可以分为：织造膜、非织造膜（无纺布）、微孔膜、复合膜、隔膜纸、碾压膜等几类。聚烯烃材料具有优异的力学性能、化学稳定性和相对廉价的特点，因此聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃微孔膜在锂电池研究开发初期便被用作锂电池隔膜。尽管近年来有研究用其他材料制备锂电池隔膜，如BoudunF等采用相转化法以聚偏氟乙烯（PVDF）为本体聚合物制备锂电池隔膜。Kuribayash等研究纤维素复合膜作为锂电池隔膜材料。然而，至今商品化锂电池隔膜材料仍主要采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜。近年来，固体和凝胶电解质开始被用作一个特殊的组件，同时发挥电解液和电池隔膜的作用，是一项新兴的技术手段。 5. 储热方法的分类、原理及优缺点

(1)显热贮存 利用材料的显热贮能是最简单的贮能方法。在实际应用中，水、沙子、土壤等都可作为贮能材料，其中水的比热容最大，应用较多。20世纪七八十年代曾有利用水和土壤进行跨季节贮存太阳能的报道。但材料显热较小，贮能量受到一定限制。

(2)潜热贮存 利用材料在相变时放出和吸入的潜热贮能，其贮能量大，且在温度不变情况下放热。在太阳能低温贮存中常用含结晶水的盐类贮能，如十水硫酸钠/水氯化钙、十二水磷酸氢钠等。但在使用中要解决过冷和分层问题，以保

证工作温度和使用寿命。太阳能中温贮存温度一般在l00℃以上、500℃以下，通常在300℃左右。适宜于中温贮存的材料有:高压热水、有机流体、共晶盐等。太阳能高温贮存温度一般在500℃以上，目前正在试验的材料有:金属钠、熔融盐等。1000℃以上极高温贮存，可以采用氧化铝和氧化锗耐火球。

(3)化学贮热 利用化学反应贮热，贮热量大，体积小，重量轻，化学反应产物可分离贮存，需要时才发生放热反应，贮存时间长。真正能用于贮热的化学反应必须满足以下条件:反应可逆性好，无副反应；反应迅速； 反应生成物易分离且能稳定贮存；反应物和生成物无毒、无腐蚀、无可燃性；反应热大，反应物价格低等，目前已筛选出一些化学吸热反应能基本满足上述条件，如Ca(OH)2的热分解反应。利用上述吸热反应贮存热能，用热时则通过放热反应释放热能。但是，Ca(OH)2在大气压脱水反应温度高于5000℃，利用太阳能在这一温度下实现脱水十分困难，加入催化剂可降低反应温度，但仍相当高。所以，对化学反应贮存热能尚需进行深入研究，一时难以实用。其他可用于贮热的化学反应还有金属氢化物的热分解反应、硫酸氢铵循环反应等。

(4)塑晶贮热 1984年，美国在市场上推出一种塑晶家庭取暖材料。塑晶学名为新戊二醇(NPG)，它和液晶相似，有晶体的三维周期性，但力学性质像塑料。它能在恒定温度下贮热和放热，但不是依靠固-液相变贮热，而是通过塑晶分子构型发生固-固相变贮热。塑晶在恒温44℃时。白天吸收太阳能而贮存热能，晚上则放出白天贮存的热能。美国对NPG的贮热性能和应用进行了广泛的研究，将塑晶熔化到玻璃和有机纤维堵板中可用于贮热，将调整配比后的塑晶加人玻璃和纤维制成的墙板中，能制冷降温。我国对塑晶也开展了一些实验研究，但尚未实际应用。

(5)太阳池贮 热太阳池是一种具有一定盐浓度梯度的盐水池，可用于采集和贮存太阳能。由于它简单、造价低和宜于大规模使用，引起人们的重视。20世纪60年代以后，许多国家对太阳池开展了研究，以色列还建成三座太阳池发电站。70年代以后，我国对太阳池也开展了研究，初步得到一些应用。 6. 太阳能单晶硅、多晶硅和非晶硅电池的原理和技术特点 单晶硅太阳电池

特点：硅系列太阳能电池中，单晶硅的光电转换效率最高，高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工工艺基础上。提高转换效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。单晶硅太阳能电池的特点是对于大于0.7μm的红外光也有一定的灵敏度。以p型单晶硅为衬底，其上扩散n型杂质的太阳能电池与n型单晶硅为衬底的太阳能电池相比，其光谱特性的峰值更偏向左边（短波长一方）。它对从蓝到紫色的短波长（波长小于0.5μm）的光有较高的灵敏度，但其制法复杂，成本高，仅限于空间应用。此外，带状多晶硅太阳能电池的光谱特性也接近于单晶硅太阳能电池的光谱特性。 多晶硅太阳电池

单晶硅太阳能电池的缺点是制造过程复杂，制造电池的能耗大。为解决这些问题，用浇铸法或晶带法制造的多晶硅太阳能电池的开发取得了进展。在1976年证明用多晶硅材料制作的太阳能电池的转换效率已超过10%，对大晶粒的电池，有报道效率可达20%。这种低成本的多晶硅太阳能电池已经大量生产，目前，它在太阳能电池工业中所占的分额也相当大。但是多晶硅材料质量比单晶硅差，有许多晶界存在，电池效率比单晶硅低；晶向不一致，表面织构化困难。

非晶硅电池工作原理：其工作原理与单晶硅太阳能电池类似，都是利用半导体的光伏效应。与单晶硅太阳能电池不同的是，在非晶硅太阳能电池中光生载流子只有漂移运动而无扩散运动。由于非晶硅材料结构上的长程无序性、无规则网络引起的极强散射作用使载流子的扩散长度很短。如果在光生载流子的产生处或附近没有电场存在，则光生载流子由于扩散长度的限制，将会很快复合而不能被收集。为了使光生载流子能有效地收集，就要求在alpha-Si太阳能电池中光注入所涉及的整个范围内尽量布满电场。

7. 燃料电池的分类、原理、结构及其发展状况

8. PEMFC燃料电池和SOFC燃料电池各自的技术特点及发展状况

质子交换膜燃料电池(PEMFC)

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

两电极的反应分别为：

阳极(负极)：2H2 -> 4H+ + 4e- 阴极(正极)： O2+4e-+4H+ -> 2H2O

注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V 之间。将多个单电池层

叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。

前景：质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。由于质子交换膜燃料电池发电系统有望成为移动装备电源和重要建筑物备用电源的主要发展方向，因此有许多问题需要进行深入的研究。就备用氢能发电系统而言，除质子交换膜燃料电池单电池、电堆质量、效率和可靠性等基础研究外，其应用研究主要包括适应各种环境需要的发电机集成制造技术， 质子交换膜燃料电池发电机电气输出补偿与电力变换技术，质子交换膜燃料电池发电机并联运行与控制技术，备用氢能发电站制氢与储氢技术，适应环境要求的空气(氧气)供应技术，氢气安全监控与排放技术，氢能发电站基础自动化设备与控制系统开发，建筑物采用质子交换膜燃料电池氢能发电电热联产联供系统，以及质子交换膜燃料电池氢能发电站建设技术等等。采用质子交换膜燃料电池氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变，极大地提高建筑物的智能化程度

技术特点：SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2(氧化锆)，它构成了O2-的导电体Y2O3（氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO3(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：

燃料极：H2 O2-=H2O 2e-（7） 空气极：1/2O2 2e-=O2-（8） 全体：H2 1/2O2=H2O（9）

燃料极，H2经电解质而移动，与O2-反应生成H2O和e-。空气极由O2和e-生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用

固体氧化物燃料电池(SOFC) SOFC的特点如下： 由于是高温动作（600-1000℃），通过设置底面循环，可以获得超过60%效率的高效发电。 由于氧离子是在电解质中移动，所以也可以用CO、煤气化的气体作为燃料。 由于电池本体的构成材料全部是固体，所以没有电解质的蒸发、流淌。另外，燃料极空气极也没有腐蚀。l动作温度高，可以进行甲烷等内部改质。 与其他燃料电池比，发电系统简单，可以期望从容量比较小的设备发展到大规模设备，具有广泛用途。 在固定电站领域，SOFC明显比PEMFC有优势。SOFC很少需要对燃料处理，内部重整、内部热集成、内部集合管使系统设计更为简单，而且，SOFC与燃气轮机及其他设备也很容易进行高效热电联产。未来的SOFC/燃气轮机发电效率将达到60-70%。 被称为第三代燃料电池的SOFC正在积极的研制和开发中，它是正在兴起的新型发电方式之一。美国是世界上最早研究SOFC的国家，而美国的西屋电气公司所起的作用尤为重要，现已成为在SOFC

研究方面最有权威的机构。 早在1962年，西屋电气公司就以甲烷为燃料，在SOFC试验装置上获得电流，并指出烃类燃料在SOFC内必须完成燃料的催化转化与电化学反应两个基础过程，为SOFC的发展奠定了基础。此后10年间，该公司与OCR机构协作，连接400个小圆筒型ZrO2-CaO电解质，试制100W电池，但此形式不便供大规模发电装置应用。80年代后，为了开辟新能源，缓解石油资源紧缺而带来的能源危机，SOFC研究得到蓬勃发展。西屋电气公司将电化学气相沉积技术应用于SOFC的电解质及电极薄膜制备过程，使电解质层厚度减至微米级，电池性能得到明显提高，从而揭开了SOFC的研究崭新的一页。80年代中后期，它开始向研究大功率SOFC电池堆发展。1986年，400W管式SOFC电池组在田纳西州运行成功。

9. 储氢材料的分类、特点及技术进展

储氢材料有很多，它包括储氢合金、配位氢化物、碳质吸附材料等目前储氢材料有金属氢化物、碳纤维碳纳米管、非碳纳米管、玻璃储氢微球、络合物储氢材料以及有机液体氢化物。下面仅就合金、有机液体以及纳米储氢材料三个方面对储氢材料加以介绍。

一,合金储氢材料

储氢合金是指在一定温度和氢气压力下,能可逆的大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物,其原理是金属与氢形成诸如离子型化合物、共价型金属氢化物、金属相氢化物-金属间化合物等结合物,并在一定条件下能将氢释放出来。合金作为储氢材料要满足一定的要求,首先其氢化物的生成热要适当,如果生成热太高,生成的氢化物过于稳定,释放氢时就需要较高的温度.而如果生成热太低,则不易吸收氢。其次形成氢化物的平衡压要适当,最好在室温附近只有几个大气压,便于吸放氢,而且要吸放速度快，这样才能够满足实际应用的需求。另外合金及其氢化物对水、氧和二氧化碳等杂质敏感性小，反复吸放氢时，材料性能不至于恶化。而且，储氢材料的氢化物还要满足在存储与运输过程中性能可靠、安全、无害、化学性质稳定等条件。现在已研究的并且符合上述要求的有镁系、稀土系、钛系和锆系等。

在上述储氢材料中，镁系储氢合金具有较高的储氢容量，而且吸放氢平台好、资源丰富、价格低廉，应用前景十分诱人。镁可直接与氢反应,在300—400℃和较高的压力下, 反应生成Mg和H2反应生成MgH2: Mg + H2= MgH2?△H=-74.6kJ/mol。MgH2理论氢含量可达7.6% , 具有金红石结构, 性能较稳定, 在287 ℃时分解压为101.3kPa。由于纯镁的吸放氢反应动力学性能差, 吸放氢温度高, 所以纯镁很少被直接用来储存氢气，为此人们又开始研究镁基储氢合金材料。到目前为止, 人们已对300多种重要的镁基储氢合金材料进行了研究。 二，液态有机物储氢材料

有机液体氢化物贮氢是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应, 即加氢和脱氢反应来实现的。加氢反应时贮氢,脱氢反应时放氢, 有机液体作为氢载体达到贮存和输送氢的目的。烯烃、炔烃、芳烃等不饱和有机液体均可作贮氢材料, 但从贮氢过

程的能耗、贮氢量、贮氢剂、物理等方面考虑, 以芳烃特别是单环芳烃作贮氢剂为佳, 常用的有机物氢载体有苯、甲苯、甲基环己烷、萘等。用这些有机液体氢化物作为贮氢剂的贮氢技术, 是20 世纪80 年代开发的一种新型贮氢技术。1980年, Taube 等分析、论证了利用甲基环己烷作氢载体贮氢为汽车提供燃料的可能性。随后许多学者对为汽车提供燃料的技术开展了很多卓有成效的研究和开发工作, 对催化加氢脱氢的贮存输送进行了广泛的开发。有机液体氢化物贮氢作为一种新型贮氢材料, 其贮氢特点是: 有机液的贮存、运输安全方便, 可利用现有的贮存和运输设备,有利于长距离大量运输，贮氢量大, 苯和甲苯的理论贮氢量分别为7.19(wt)% 和6.18(wt)% ,比现有的金属贮氢量高得多，贮氢剂成本低且可多次循环使用，加氢反应要放出大量的热,可供利用,脱氢反应可利用废热。目前存在的主要问题是有机物氢载体的脱氢温度偏高, 实际释氢效率偏低。因此, 开发低温高效的有机物氢载体脱氢催化剂、采用膜催化脱氢技术对提高过程效能有重要意义。 三，纳米储氢材料

纳米储氢材料分为两种方式，一种是将原有的储氢材料纳米化，还有一种就是开发新的纳米材料作为储氢材料。

储氢合金纳米化提高储氢特性主要表现在以下几个方面原因。（1）对于纳米尺寸的金属颗粒，连续的能带分裂为分立的能级，并且能级间的平均间距增大，使得氢原子容易获得解离所需的能量，表现为贮氢合金活化能降低和活化温度降低。（2）纳米颗粒具有巨大的比表面积，电子的输送将受到微粒表面的散射，颗粒之间的界面形成电子散射的高势垒，界面电荷的积累产生界面极化，而元素的电负性差越大，合金的生成焓越负,合金氢化物越稳定。金属氢化物能够大量生成，单位体积吸纳的氢的质量明显大于宏观颗粒。（3）纳米贮氢合金比表面积大，表面能高，氢原子有效吸附面积显著增多，氢扩散阻力下降，而且氢解反应在合金纳米晶的催化作用下反应速率增加，纳米晶具有高比例的表面活性原子，有利于反应物在其表面吸附，有效降低了电极表面氢原子的吸附活化能,因而具有高的电催化性能。另外，由于纳米晶粒相当细小,导致晶界和晶格缺陷增加，而晶体缺陷和位错处的原子具有较高的能量可视为反应的活性中心,从而降低析氢过电位。（4）晶粒的细化使其硬度增加，贮氢合金的整体强度随晶粒尺寸的增加而增强，这对于抗酸碱及抗循环充放粉化，以及抵抗充放电形成的氧压对贮氢基体的冲击大有裨益，并且显著提高了贮氢合金耐腐蚀性。[

储氢方法多种多样，但根据氢存在形态的不同，归结来说可以分为三类：气态储存、液化储存和固态储存。 2.1气态储存

气态储存是对氢气加压，减小体积，以气体形式储存于特定容器中。根据压力大小的不同，气态储存又可分为低压储存和高压储存。

氢气可以像天然气一样用低压储存，使用巨大的水密封储槽。该方法适合大规

模储存气体时使用。由于氢的密度太低，应用不多。

气态高压储存是最普通和最直接的储存方式，通过高压阀的调节就可以直接将氢气释放出来。该方法简单易行，但缺点也很突出。首先，高压储氢能耗高，需要消耗别的能量形式来压缩氢气；其次，高压对容器材料强度要求高，对于移动用途而言，加大氢压来提高携氢量将有可能导致氢分子从容器壁逸出或产生氢脆现象。加压压缩储氢技术近年来的研究进展主要体现，且公众接受心理存在障碍；最后，高压储氢的单位质量储氢密度，也就是储氢单元内所有储氢质量与整个储氢单元的质量（含容器、储存介质材料、阀及氢气等）之比依然很低。我国使用的容积为40L的钢瓶在15MPa高压下，也只能容纳大约0.5Kg氢气，还不到高压钢瓶重量的1%，储氢量小，运输成本太高。

高压储氢对容器材料要求高，储氢容器先后经历了从钢制、金属内衬纤维缠绕到全复合纤维缠绕的发展历程，穆青国际上正积极开发压力更高的轻质储氢压力容器。

2.2液化储存

液化储存顾名思义，就是将氢气冷却到液化温度以下，以液体形式储存。在化石燃料中，液氢的有效质量密度最高，而液氢的密度是气态氢的865倍，因此以液态储存氢特别适合储存空间有限的运载场合。若仅从质量和体积上考虑，液化储存是一种极为理想的储氢方式。液氢方式储运的最大优点是质量储氢密度高，按目前的技术可以大于5%。但使用液化储氢方式，液氢罐需采用双层壁真空绝热结构，并采用安全保护装置和自动控制装置保证减振和抗冲击。这就增大了储氢系统的复杂程度和总体重量，限制了氢气质量分数的提高。

液氢生产成本高昂，液化所消耗的能量可以达到氢气能量的30-50%。另外，液氢还存在严重的泄露问题。液氢沸点仅为20.38K。气化潜热小，仅0.91kj/mol，因此液氢的温度与外界的温度存在巨大的传热温差，稍有热量从外界渗入容器，即可快速沸腾而损失。即使用真空绝热储槽，液氢也难长时间储存。目前，液氢的损失率达1-2%每天，而汽油通常每月只损失1%，所以，液氢不适合用于间歇使用的场合，如汽车。 2.3固态储存

固态储存是利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中。固态储存一般可以做到安全、高效、高密度，是气态储存和液化储存之后，最有前途的研究发现。固态储存需要用到储氢材料，需找和研制高性能的储氢材料，成为固态储氢的当务之急，也是未来储氢发展和乃至整个氢能利用的关键。 不同储方式比较：

气态储氢：能量密度低不太安全

液化储氢：能耗高，对储罐绝热性能要求高

固态储氢的优势：体积储氢容量高，无需高压及隔热容器，安全性好，无爆炸危

险可得到高纯氢，提高氢的附加值

10. 二次电池的概念、分类及其各自特点

可充电电池又称二次电池（Secondary battery）、蓄电池。二次电池（Rechargeable battery)：二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。可充电电池按制作材料和工艺上的不同，其优点是在充电后可多次循环使用，它们可全充放电两百多次甚至达1500次，充电电池的负荷力要比大部分一次性电池高。常见的类型有：

? 铅酸电池—电压约2V，容量低但可输出较大的功率、电池，常使用于汽车中

作启动引擎用，或用于不断电系统(UPS)、无线电机、通信机。

? 镍镉电池NiCd—电压约1.2V，有较强烈的记忆效应，而且容量较低，含有毒物质，对环境有害，现已被淘汰。

? 镍氢电池NiMH—电压约1.2V，有极轻微的记忆效应，容量较镍镉电池大（也比碱性电池大）。旧镍氢电池有较大的自放电，新的镍氢电池自放电低至与碱性电池相约，而且可在低温下使用（-20℃），充电装置、电压与镍镉电池相同，已取代了镍镉电池，同时也可取代绝大部份碱性电池的用途。 锂离子电池Li-ion—电压约3.6、3.7V，容量较高、重量较轻，但价钱也较贵，常用于移动电话及数码相机

11. 动力锂电池的发展瓶颈和发展趋势

动力锂电池面临价格、安全性能和汽车动力电池的管理系统等方面的问题。主要表现在：

生产成本高。目前电动车使用的动力电池组的成本占整车造价的二分之一，尚无一种高性价比的电池能够同时满足电动车产业化的性能与成本需要。 安全性能有待提高。由于锂离子动力电池具有能量密度大、工作温度高等特点，用户对电池的安全性提出了非常高的要求。

汽车动力电池管理系统需改进。汽车动力电池必须由多个电池串联来提高电压，但由于电池难以做到完全均一的充放电，因此串联的多个电池组内的单个电池会出现充放电不平衡的状况，这会导致电池性能的急剧恶化，最终整组电池也将无法正常工作，甚至报废，大大影响电池的使用寿命和可靠性能。

目前阻碍动力锂离子电池发展的瓶颈是：安全性能和汽车动力电池的管理系统。 安全性能方面，由于锂离子动力电池具有能量密度大、工作温度高、工作环境恶劣等方面的原因，加上以人为本的安全理念，因此，用户对电池的安全性提出了非常高的要求。汽车动力电池的管理系统方面，由于汽车动力电池的工作电压是

12V或24V，而单个动力锂离子电池的工作电压是3.7V，因此必须由多个电池串联而提高电压，但由于电池难以做到完全均一的充放电，因此导致串联的多个电池组内的单个电池会出现充放电不平衡的状况，电池会出现充电不足和过放电现象，而这种状况会导致电池性能的急剧恶化，最终导致整组电池无法正常工作，甚至报废，从而大大影响电池的使用寿命和可靠性能。

动力锂离子电池要得到很好的应用，技术上需要从材料、电池、管理系统、机械加工等多方面同时考虑。因此，需要锂电子生厂商及下游企业通力合作，以电池为核心，对材料、管理系统等提出要求，形成一个产业群，更有利于技术的进步和系统成本的降低。

4 动力锂电池发展前景

对新能源汽车的需求的不断增长，对电池的需求也在不断的增加，在未来10年内新能源汽车的电容量需求，至2015年，电容量需求量为24.6GWh,比2010年的4.52GWh增长了5倍，而到2020年更是达到了77.6GWh。 而做为新能源电池的主要电源，锂电池的需求也会迅猛增长，至2018年，80%以上的新能源汽车将会使用锂电池作为电源。

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