新型能源材料

电动车的类型？

电动汽车（Electric Vehicle ，EV ）是一种电力驱动的道路交通工具，最大区别在于能源和驱动系统（电动机）不同。

包括蓄电池电动汽车（Battery Electric Vehicle，BEV ）、混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV ）和燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle ，FCEV ）

纯电动汽车（Pure Electric Vehicle，PEV ；Full Electric Vehicle，FEV ）以电动机代替燃油的内燃机，电力驱动的优点是不使用燃料、零排放且噪声低；同时因使用单一的电能源，电控系统相比混合电动车大为简化，即降低了成本，又可补偿电池的部分价格。

我国发展电动车的研发布局？

国内现状

自2001年起，国家就启动了863计划电动汽车重大专项，涉及的电动汽车包括纯电动汽车、混合动力和燃料电池等3种电动汽车。

其中以燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车为“三纵”，多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池为“三横”，建立起“三纵三横”的开发布局。

第1章 化学电源概述

常规化学电池？

化学电源（电池）：将氧化—还原反应的化学能直接转变为电能的装置。 放电过程：化学电源对外电路供给能量的过程。 充电过程：化学电源从外电路获得能量的过程。

电池组：由两个或多个电池为串联、并联或串并联形式组合而成。

化学电源分为：一次电池（原电池）、二次电池（可充电池、蓄电池）、储备电池、燃料电池。

化学电源：原则上是由两种不同的电极材料（正、负极）和将两个电极分隔开的隔膜、电解液、外壳等组成。

燃料电池的定义？

燃料电池

燃料电池：是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置。

燃料电池的特点：燃料电池与一般电池的本质区别在于其能量供给的连续性。

理论上，一方面，电池的电极在工作时并不消耗，只要连续地供给燃料和氧化剂，电池就可以连续对外发电，另一方面，燃料电池是高效的、低或零污染排放、安全且操作方便的发电装置。燃料电池不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。燃

料电池的理论效率η为：

燃料电池的基本组成：电极、电解液（固体、水溶液或熔融盐）、燃料、氧化剂。

电极：多采用多孔电极技术，电极可以由具有电催化活性的材料制成，只作为电化学反应的载体和反应电流的传导体。 燃料：可以是气体（如

，CO 和碳氢化合物）、液体（，

，高阶碳氢化合

物）、固体（金属氢化物）。

氧化剂：纯氧气、空气、卤素，而空气是最便宜的氧化剂。

燃料电池的类型？

按照工作温度：分为高、中、低温型。

按照燃料来源：分为直接式燃料电池（如直接甲醇燃料电池）、间接式燃料电池、可再生类型。

按照电解质类型：分为五大类，即磷酸型燃料电池（PAFC ）、质子交换膜燃料电池（PEMFC ）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC ）、固体氧化物燃料电池（SOFC ）、碱性燃料电池（AFC ）。

（1）PAFC

正极：高分散Pt ；负极：高分散Pt 电解质：浓

；工作温度：180～210℃；燃料：

电池反应：2H 2+O2→2H 2O 负极反应：2H 2-4e →4H + 正极反应：O 2+4H++4e→2H 2O 优点：抗

，可应用于独立电站。

缺点：贵金属催化剂对CO 敏感，电解质电导率低。 （2）MCFC

正极：高分散Ni ；负极：高分散Ni ；电解质：Li 2CO 3-K 2CO 3 (Na2CO 3) 工作温度：600～700℃；燃料：CO 或阳极：H 2+CO32- →H 2O+CO2+2e- 阴极：1/2O 2+CO2+2e- →CO 32- 总反应：H 2+1/2O 2+CO2→H 2O+CO2

优点：无需贵金属催化剂，电池内部重整容易，Ni 催化剂不怕CO 中毒。 缺点：电极材料寿命短，机械稳定性差，阴极需补充（3）SOFC

正极：锰酸锶镧；负极：Ni ；电解质：YSZ 工作温度：600～850℃；燃料：CO 或电池反应：2H 2+O2→2H 2O 负极反应：2H 2-2O 2-4e →2H 2O 正极反应：O 2+4e →2O 2- 优点：无需贵金属催化剂，无需

再循环，效率高。

，腐蚀。

缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵。 （4）AFC

正极：高分散Ni ；负极：高分散Ni ；电解质：KOH 或NaOH 工作温度：室温～100℃；燃料：电池反应：2H 2+O2→2H 2O 负极反应：2H 2-4e+4OH-→4H 2O 正极反应：O 2+2H2O+4e →4OH -

优点：Ni 催化剂价格低，工作温度低，效率高。

缺点：对CO 敏感≤350μL ·L -1，电解质使用过程浓差极化大。 （5）PEMFC 质子交换膜燃料电池

正极：高分散Pt ；负极：高分散Pt （-Ru ）

电解质：质子交换膜（如Nafion 膜，一种全氟磺酸膜） 工作温度：25～120℃；燃料：电池反应：2H 2+O2→2H 2O 负极反应：H 2+2H2O →2H 3O ++2e- 正极反应：O 2+4H3O++4e-→6H 2O

优点：功率密度高，工作条件温和，无溶液渗漏及服饰，启动快，工作可靠。 缺点：膜及催化剂造价高，对CO 敏感，水控制困难。

或甲醇

一、燃料电池的原理及特点

FC 的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所； 阳极催化燃料，如氢的氧化过程； 阴极催化氧化剂，如氧等的还原过程；

导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。

燃料电池与常规化学电源的区别

但是FC 的工作方式又与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。 燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储存罐中。

当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排出一定的废热，以维护电池工作温度的恒定。

FC 本身只决定输出功率的大小，其储存能量则由储存在储存罐内的燃料与氧化剂的量决定。 4623 4624

在阴极（空气电极）上，氧分子得到电子被还原成氧离子：O 2+4e →2O 2- (1)；氧离子在电场作用下，通过电解质中的氧空位迁移到阳极（燃料电极）上与燃料

（

、CO

或

）进行氧化反应：2O 2-+2H2→2H 2O+4e(2)； 4O 2-+CH4→

2H 2O+CO2+8e(3)； O2-+CO→CO 2+2e(4)；电池总的反应方程式为：2H 2+O2→2H 2O (5)；

CH 4+2O2→2H 2O+CO2 (6)；2CO+O2→2CO 2 (7)；

固体氧化物燃料电池的特点：

SOFC 是在高温下运行的，具有以下特点：

（1）燃料转换率高，附产有工业价值的高温废气，可以实现热电联产，不考虑余热回收可达60%以上，若考虑余热的回收利用，整个系统的效率可高达80%以上。

（2）较高的电流密度和功率密度，可达1MW/

，对块状设计有可能达到3MW/

（3）如果以纯氢为燃料可以防止的排放，若使用化石燃料可以降低50%的排

放量，污染物和室温气体的排放量显著减少，可以减少酸雨与雾的形成和废气的排放量。

（4）燃料选择性强，可直接使用且不必使用Pt 贵金属作催化剂。

（5）阳、阴极的极化可忽略，极化损失集中在电解质阻力降。 （6）全固态元件，无腐蚀漏液。 4627

甲醇燃料电池分为：

外重整式：通过重整器把甲醇重整为氢，然后氢在催化剂作用下与氧气反应产生电能。

内重整式：无需重整器，甲醇在阳极上直接氧化。具有体积小、重量轻、结构简单、容易操作、可靠性高、维修方便、价格低等优点。

、天然气、煤气、生物气及甲醇等作为燃料，

直接甲醇燃料电池的工作原理及特点

直接甲醇PEMFC （DMPEMFC ）燃料电池以质子交换膜或酸性电解液为电解质时： 负极反应：CH 3OH+H2O →CO 2+6H++6e 正极反应：6H ++3/2O2+6e →3H 2O 电池反应：CH 3OH+3/2O 2=CO2+2H2O

电动势1.214V ，能量转换效率为96.68%。

直接甲醇燃料电池：简称DMFC （Direct Methanol Fuel Cell）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与储存。 其电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。 甲醇→氢离子→←氯

二氧化碳→→水

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直接甲醇燃料电池的优缺点

优点：甲醇可以被简单、快速添加；甲醇被认为是最有效的氢载体；甲醇存储非常简单，极大地降低了系统重量；最理想应用于低功率密度、但高能量密度要求的用电器；不需要重整器，降低了成本，提高了效率。

缺点：燃料可以通过电解质膜造成内短路，降低效率；低功率密度；甲醇可以腐蚀燃料电池的一些组件；甲醇类似汽油，有毒、易燃；甲醇氧化反应的一些中间产物可以毒化催化剂。 液流电池

是一种新型储能和高效转化装置，将不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中，通过外接泵把电解液泵入电池堆体内，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用离子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，使储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池可以顺利完成充电、放电和再充电。

全钒液流储能电池工作原理

由于使用同种元素组成电池系统，从原理上避免了电池正极和负极间由于不同种类活性物质相互渗透产生的交叉污染。当发电装置的功率超过额定输出功率时，通过对全钒液流电池充电，将电能转化为化学能储存在不用价态的钒离子中；当发电装置不能满足额定输出功率时，全钒液流电池开始放电，把储存的化学能转化为电能，保证电功率的稳定输出。

钒有V （V ）、V （IV ）、V （III ）和V （II ）多种价态，含有的VO 2+/VO2+和VO 2+/VO3+价态的钒离子溶液可作为正、负极的活性物质组成化学电池。 充电时：正极：VO 2++H2O →VO 2++2H++e

负极：V 3++e→V 2+

放电时：正极：VO 2++2H++e→VO 2++H2O 负极：V 2+→V 3++e 4634

钒电池优点即特点

1、功率大：通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加钒电池的功率，目前，美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6兆瓦。

2、容量大：通过任意增加电解液的体积，即可任意增加钒电池的电量，可达吉瓦时以上；通过提高电解液的浓度，即可成倍增加钒电池的电量。

3、效率高：由于钒电池的电极催化活性高，且正、负极活性物质分别存储在正、负极电解液储槽中，避免了正、负极活性物质的自放电消耗，钒电池的充放电能量转换效率高达75%以上，远高于铅酸电池的45%。

4、寿命长：由于钒电池的正、负极活性物质只分别存在于正、负极电解液中，充放电时无其他电池常有的物相变化，可深度放电而不损伤电池，电池使用寿命长。目前加拿大VRB Power Systems 商业化示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行超9年，充放循环寿命超过18000次，远远高于固定型铅酸电池的1000次。

5、响应速度快：钒电池堆里充满电解液可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒，响应速度1毫秒。

6、可瞬间充电：通过更换电解液可实现钒电池瞬间充电。

7、安全性高：钒电池无潜在的爆炸或着火危险，即使将正、负极电解液混合也无危险，只是电解液温度略有升高。

8、成本低：除离子膜外，钒电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，材料来源丰富，易回收，不需要贵金属作电极催化剂，成本低。

9、钒电池选址自由度大，可全自动封闭运行，无污染，维护简单，运营成本低。

锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的

正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈

层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。（少锂离子电池的工作原理示意图）

锂离子电池电极反应

正极反应：LiCoO 2

1-x CoO 2+xLi++xe-

负极反应：6C+xLi++xe-x C 6

电池反应：6C+ LiCoO 21-x CoO 2+ Lix C 6

锂离子电池电机和电解质的常见材料

锂离子电池的组成 正极：

、

等

负极：碳系列、金属锂系列、氧化物系列、其他负极材料等 电解质：有机溶剂电解质（液态）、聚合物电解质（固态、凝胶）

（少锂离子电池的制造工艺及命名原则） 太阳能电池（Solar Cell）工作原理

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳光照在半导体p-n 结上，形成新的空穴-电子对，在p-n 结电场的作用下，空穴由n 区流向p 区，电子由p 区流向n 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。（少太阳能电池结构图）

太阳能电池的利用途径

太阳能电池的分类

1、硅系太阳能电池（单晶硅太阳能电池；多晶硅薄膜太阳能电池；非晶硅薄膜太阳能电池）

2、多元化合物薄膜太阳能电池（砷化镓III-V 化合物；硫化镉；铜铟硒） 3、聚合物多层装饰电极型电池 4、纳米晶化学太阳能电池