新型能源材料

常规一次能源以外的一些正在发展中的能源

新型能源通常指除矿物燃料（煤、石油、天然气）和水电等常规一次能源以外的一些正在发展中的能源，如太阳能、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、高比能电池等。

解释

新型能源的发展要靠利用新的能量转换方式和原理来发展新的能源系统，同时还必须依靠新材料才能使新的系统得以实现。例如，新型核反应堆发电系统的安全运行要靠使用特别耐辐照和耐腐蚀的新型结构材料才能得到保证；只有利用能够产生光伏效应的半导体材料才能发展太阳电池，使太阳能有效地直接转变为电能；只有利用电催化剂、储氢合金等储能电极材料才能发展各种高比能电池，通过电化学反应将物质的化学能直接变换为电能。同时，材料的组成、结构、性质、制作与加工工艺还决定着新型能源的效率、投资与运行成本，从而是决定该种新型能源能否得到大规模应用的关键。

分类

新型能源和新型能源材料的种类很多。从能源技术的发展来看，核能、太阳能、氢能、高比能电池是有希望在21世纪得到广泛应用的新型能源。发展中的高比能电池主要是燃料电池和两种新型二次电池（包括Ni/MH电池和锂离子电池）。

其中，燃料电池和Ni/MH二次电池也是氢能利用的主要发展方向。因此，新型能源材料主要包括：核能材料、太阳电池材料、燃料电池材料、新型二次电池材料。核能材料　主要包括核燃料、核反应堆及辅助系统用结构材料等。核反应堆可分为裂变反应堆和聚变反应堆两大类。目前裂变堆已大量应用，对其材料的研究除了优化商品堆的性能外，主要为了满足新型反应堆（如高温气冷堆、快中子增殖堆）的要求。聚变堆迄今仍处于科学试验阶段，聚变堆材料是其主要技术难点之一。

①裂变堆材料。裂变反应堆的核燃料由铀和钚的合金或陶瓷组成，作为燃料元件的芯体，通常作成圆柱状、板状或颗粒状。反应堆堆芯结构材料主要有燃料元件包壳材料、慢化剂与冷却剂材料、控制材料、发射与屏蔽材料以及反应堆容器材料等。由于堆芯材料处于很强的辐射环境，这些材料除了满足特殊的核性能要求外，还要特别考虑材料本身的抗辐照性能。燃料元件的包壳材料是堆芯结构材料当前研究发展的重点。包壳材料的功能是在裂变堆中将核燃料与冷却剂分开，防止系统受到强放射性裂变产物的污染。热中子堆燃料元件的包壳材料必须选用热中子截面很低的材料，如铝合金、锆合金和镁合金。对于快中子增殖堆，由于裂变密度高并采用液体金属钠作为冷却剂，对包壳材料的抗辐照和抗腐蚀性能要求更为苛刻，目前研究发展的材料有不锈钢、镍基合金、氧化物弥散合金等。

②聚变堆材料。目前托卡马克型磁约束聚变装置用的材料主要包括核燃料（主要是氘和氚）、氚增殖材料、中子倍增材料、第一壁材料、电绝缘与超导磁体材料、辐射屏蔽材料以及冷却剂材料等。作为包容等离子区和真空区部件的第一壁材料是聚变堆中技术要求最苛刻的材料。它要经受14兆电子伏中子及其他高能带电粒子的轰击，其辐照效应比裂变堆材料所经受的辐照效应更为严重。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，包括等离子体面向材料和结构材料。前者的研究对象有铍、钨、钨合金及复合材料，后者有不锈钢、钒合金及复合材料等。

太阳电池材料

主要包括产生光伏效应的半导体材料、薄膜用衬底材料、减反射膜材料、电极与导线材料、电池组件封装材料等。用于制作太阳电池的半导体材料主要有晶体硅（单晶硅、多晶硅）、非晶硅等元素半导体材料和CaAs、CdS、CdTe、CuInSe2等化合物半导体材料。从材料的使用形态与结构看，有晶片、薄膜、外延片、异质结结构和正在研究发展的量子阱结构等。太阳电池材料特别是半导体材料的选择、制备工艺与质量直接影响着太阳电池的转换效率、材料消耗和电池成本。

单晶硅电池的转换效率已达23.7%。在太阳电池中，以晶体硅电池的数量最多。但随着薄膜材料制备技术的应用，高效、廉价的薄膜电池正在得到迅速发展。目前使用的CaAs、CdTe及非晶硅薄膜的厚度仅为1～2微米，多晶硅膜的厚度为50微米，均比晶体硅电池的材料用量（厚度为200～300微米）有明显降低。此外，通过使用薄膜衬底剥离技术，还可以使衬底材料（如硅片、不锈钢、玻璃等）得以多次利用，进一步降低材料消耗。

燃料电池材料　

主要包括：燃料（纯氢或富含氢的气体等）、氧化剂（纯氧、净化空气等）、电催化剂、电极材料、电解质、隔膜材料、集流板材料、电池组密封材料等。按所使用的电解质分类，燃料电池有碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及固体氧化物燃料电池等多种类型。其中质子交换膜燃料电池是当前发展的重点，最有希望实现商业化。质子交换膜燃料电池使用全氟磺酸型固体聚合物材料的质子交换膜为电解质兼隔膜。

电池的电极（氢电极和氧电极）是一种由扩散层和催化层组成的多孔气体扩散电极，通常与质子交换膜一起压合为氢电极–膜–氧电极形式的膜电极三合一组件使用。电极的扩散层一般由炭纸或炭布制作，催化层则由贵金属电催化剂（Pt/C或Pt–Ru/C等）与质子导体聚合物（如全氟磺酸树脂）等组成。电池的集流板（双极板）材料目前多采用导电性和耐腐蚀性能良好的特制无孔石墨板，但其制备工艺复杂，造价高（约占整个电池组造价的60%～70%）。为提高电池的比功率和降低电池成本，目前对质子交换膜燃料电池材料的研究重点有：

①采用表面改性的金属薄板（如厚度为0.1～0.3毫米的不锈钢板、铝合金板、钛板）替代无孔石墨板（厚度为3毫米）作为双极板；

②研制廉价的新型质子交换膜；

③寻求替代贵金属铂的电催化剂。

新型二次电池材料　

主要包括电池的正极材料、负极材料、电解质、聚合物隔膜、电极集流体材料、各种添加剂材料、电池壳体及密封件材料等。①金属氢化物镍电池材料。Ni/MH电池是一种利用储氢合金的电化学吸、放氢功能而实现充放电的新型二次电池。目前商品电池使用的正极材料是掺有适量Co、Zn等元素的球形Ni(OH)2，负极材料为AB5型混合稀土系多元储氢合金（典型成分为MmNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3），电解质为6MKOH水溶液。为了进一步提高Ni/MH电池的能量密度，目前还在研究开发具有更高放电容量的新型储氢合金，如AB2型锆（钛）基合金、钒基固溶体型合金等。②锂离子电池材料。锂离子电池是一种利用锂离子在正、负极材料中的嵌入和脱嵌而实现充放电的新型二次电池。因其能量密度比Ni/MH电池更高，发展尤为迅速。目前商品电池使用的正极材料是LiCoO2，负极材料是碳材料（如硬碳、天然石墨等），电解质为有机溶剂与锂盐组成的有机溶液。为了降低成本和提高电池的性能，目前研究开发的正极材料有LiMn2O4、LiNiO2、LiNi1－xCoxO2等，负极材料则有纳米级的Sn及SnSb等合金。

推荐书目

雷永泉.新能源材料.天津:天津大学出版社,2000.　

衣宝廉.燃料电池高效、环境友好的发电方式.北京:化学工业出版社,2000.

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