新能源材料分类及其研究进展

新能源材料概况及最新研究进展

摘要：随着经济全球化发展，能源的消耗日渐增加。因此，对新能源材料的研究成为了人们关注重要问题。在现代化科技下新能源是优化能源结构、降低碳排放以及实现可持续发展之重要的途径。但是随着科技的发展，新能源材料研究的进展究竟如何一直是有待探究的问题[1]。本文主要介绍了新能源材料的概况及最新研究进展。

关键词：新能源材料，概况，最新进展

1前言

新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，它是发展新能源的核心和基础。新能源材料是新能源开发的物质基础，近几年，我国政府比较重视能源材料的开发和应用，9 7 3 计划、8 6 3 计划、科技攻关计划、高技术产业化专项等计划对绿色二次电池、燃料电池和太阳能电池等能源器件及其关键材料的研究开发和产业化均有一定投入[2]。当前的研究热点和技术前沿包括高容量储氢材料、锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池和中温固体氧化物燃料相关材料、薄膜太阳能电池材料等。

2.新能源材料概况 目前比较重要的新能源材料有：（1）裂变反应堆材料，如铀、钚等核燃料、反应堆结构材料、慢化剂、冷却剂及控制棒材料等。（2）聚变堆材料：包括热核聚变燃料、第一壁材料、氚增值剂、结构材料等。（3）高能推进剂：包括液体推进剂、固体推进剂。（4）燃料电池材料：如电池电极材料、电解质等。（5）氢能源材料：主要是固体储氢材料及其应用技术。（6）超导材料：传统超导材料、高温超导材料及在节能、储能方面的应用技术。（7）太阳能电池材料。（8）其它新能源材料：如风能、地热、磁流体发电技术中所需的材料。

新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。新能源材料对新能源的发展发挥了重要作用, 一些新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生, 一些新能源材料的应用提高了新能

源系统的效率, 新能源材料的使用直接影响着新能源系统的投资与运行成本。下面主要介绍核用锆合金、锂离子电池材料、纳米电源等新能源材料的现状及存在问题[3]。

2.1 核用锆合金

核反应堆中, 目前普遍使用锆合金作为堆芯结构部件和燃料元件包壳材

料。Zr-2, Zr-4 和Zr-2.5Nb是水堆用3 种最成熟的锆合金, Zr-2用作沸水堆包壳材料, Zr-4用作压水堆、重水堆和石墨水冷堆的包壳材料, Zr-2.5Nb用作重水堆和石墨水冷堆的压力管材料, 其中Zr-4合金应用最为普遍, 该合金已有30 多年的使用历史[4-6] 。为提高性能, 一些国家开展了改善Zr-4 合金的耐腐蚀性能以及开发新锆合金的研究工作。通过将Sn含量取下限, Fe, Cr含量取上限, 并采取适当的热处理工艺改善微观组织结构, 得到了改进型Zr-4 包壳合金, 其堆内腐蚀性能得到了改善。但是,长期使用证明, 改进型Zr-4 合金仍然不能满足50GWd/tU以上高燃耗的要求[7]。针对这一情况, 美国、法国和俄罗斯等国家开发了新型Zr-Nb系合金, 与传统Zr-Sn合金相比, Zr-Nb系合金有抗吸氢能力强, 耐腐蚀性能、高温性能及加工性能好等特性, 能满60GWd/tU甚至更高燃耗的要求, 并可延长换料周期。这些新型锆合金已在新一代压水堆电站中获得广泛应用, 如法国采用M5合金制成燃料棒, 经在反应堆内辐照后表明, 其性能大大优于Zr-4合金, 法国法玛通公司的AFA3G燃料组件已采用M5 合金作为包壳材料。

2.2锂电池

经过10 多年的发展, 小型锂离子电池在信息终端产品(移动电话、便携式电脑、数码摄相机)中的应用已占据垄断性地位, 我国也已发展成为全球三大锂离子电池和材料的制造和出口大国之一。新能源汽车用锂离子动力电池和新能源大规模储能用锂离子电池也已日渐成熟, 市场前景广阔。近10年来锂离子电池技术发展迅速, 其比能量由100 Wh/kg增加到180 Wh/kg, 比功率达到2 000 W/kg,循环寿命达到1 000 次以上。在此基础上, 如何进一步提高锂离子电的性价比及其安全性是目前的研究重点, 其中开发具有优良综合性能的正负料、工作温更高的新型隔膜和加阻燃剂的电解液是提高锂离子电池安全性和降低成本的重要途径。

2.2.1 锂离子电池正极材料

锂离子电池的正极材料比容量目前仅130 mAh/g左右, 远低于负极材350 mAh/g的比容量, 成为锂离子电池容量的限制因素, 因此改善正极材料性能是提高锂离子电池性能的关键因素之一。目前锂离子电池正极材料主要LiCoO2 ,

同时LiMn2O4, LiFePO4 和锂镍钴锰氧化物等新型正极材料也在开发和应用过程中。自从锂离子电池商用化以来, LiCoO2 一直是锂离子电池的主导正极材料。它是一种具有层状结构的化合物, 为α-NaFeO2 六方形结构, R3m空间群, 其理论比容量为274mAh/g, 实际比容量为140 ～ 155 mAh/g, 平均电压3.7 V。LiCoO2 可以快速充放电, 在2.75～ 4.3 V范围内, 锂离子在LixCoO2 中可可逆脱嵌, 材料具有较好的结构稳定性和循环性能。

2.2.2 锂离子电池负极材料

目前锂离子电池用负极材料以碳质材料为主, 包括中间性炭微球和改性天然石墨等, 实际比容量达到350 mAh/g左右。2008 年我国碳基负极材料产量约5500 t。近年来正在开发更高比容量的新型负极材料, 如锡基材料和硅及硅化合物等, 此外具有优良充放电性能的Li4 Ti5O12也是目前新型负极材料研究热点

之一。Li4 Ti5O12是一种具有尖晶石结构的可嵌锂电极材料 , 在脱/嵌锂离子过

程中, 该材料在Li4 Ti5O12 与Li7 Ti5 O12之间进行两相转变, 二者的晶格常数几

乎相同, 体积变化小于1%,因而被称之为“零应变”材料,与目前商业化较多的碳负极材料相比, Li4 Ti5O12具有放电平稳, 电压指示明显, 首次充放电过程中

不形成SEI膜, 不易产生枝晶, 与电解液相容性好以及锂离子扩散系数大等特点。

2.3纳米电源

在过去几十年中, 纳米材料在纳米电子学、光电子学、材料科学、化学和生物等领域取得了许多突破性进展。开发出大量新型的纳米材料与微纳器件,并在生物医学、信息、能源以及人们日常生活的各个领域中展现出前所未有的应用前景。这些成果为人类社会的文明进步和可持续发展等带来了深远影响[8-10] 。其中, 作为纳米器件的一种形式, 纳米电源由于体积小和能量转换效率高等特点, 在纳米科技、现代工业以及人体健康等领域都有重要的应用。目前, 对于纳米电源来说, 两个因素至关重要: 1)能量产生过程中所对应的物理效应;

2)纳米电源所使用的电极材料。目前, 主要有两种物理效应被用于纳米电源系统: 压电效应与摩擦效应。

压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时,其内部会产生极化现象, 同时在其两个相对表面上出现正负相反的电荷;当外力去掉后,它又会恢复到不带电状态的一种物理现象。而当作用力的方向改变时, 电荷的极性也随之改变。相反, 当在电介质的极化方向上施加电场, 这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应, 或称为电致伸缩现象。具有压电效应的材料主要有: 压电单晶体(石英、硫化镉、氧化锌、氮化铝等), 压电多晶体(钛酸钡、锆钛酸铅等),压电聚合物与压

电复合材料等。 摩擦式纳米电源是一类基于柔性纳米薄膜“应变－恢复”过程中两电极接触、摩擦起电、静电感应的纳米电源系统, 是一种将摩擦产生的电 能收集起来并加以利用的装置。摩擦式纳米电源有以下几个独特的优势: 1)它是一种基于新的原理与方法的新型纳米电源,可为微-纳电子器件与电子学研开辟新的研究领 …… 此处隐藏：4835字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……