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新能源材料-金属空气电池ppt课件
7.3 锌空气电池
7.3.3 基本特性
（1）充电特性
锌空气电池的充电模式，打破了普通蓄电池的常规充电 模式，采用机械式更换电池的锌板或锌粒的"充电"模式，整 体更换锌空气电池的活性物质，将整个锌空气电池进行更换 ，电池不再需要花很长的时间来充电，更换一块20kWh的电 池块只需要1分40秒。只要在公路沿线设置锌板或锌粒匣以及 电解质器匣的机械式整体更换站，其效果如同现在内燃机汽 车的加油站，直接"充电"，可以为用户提供很大的方便。
金属/空气电池由具有反应活性的负极和空气电极经电化 学反应偶合而成，它的正极反应物用之不尽。在某些情况 下，金属/空气电池具有很高的质量比能量和体积比能量。 这一体系的极限容量取决于负极的安时容量和反应产物的 贮存与处理技术。
已经研究和开发过的金属/空气电池有原电池、贮备电 池、可充电电池和机械再充式电池等。在机械充电电池设 计(即更换放完电的金属负极)中，电池在本质上相当于原电 池，它的空气电极为相对简单的“单功能”电极，只需要 在放电模式下工作。常规可充电金属/空气电池需要一个第 三电极(用来维持充电时放出氧气)或者一个“双功能”电极 (一个既可以还原氧又可以析氧的电极) 。
7.2 空气电极
7.2.2 外界环境的影响
（1）空气中的CO2的影响
在碱性环境中，二氧化碳会形成碱式碳酸盐而沉积在电 极的微孔结构中，故应使空气中的CO2始终维持在10010-6 以下。
（2）其他影响
锌电极中合金元素的特性和电解液都有可能影响空气电 极的性能和寿命。此外，活性物质中有害物质、隔膜的稳定 性与抗氧化性等因素对锌空气电池性能均有不同程度的影响 。
7.3 锌空气电池
7.3.2 结构
糊状的锌粉在阳极端，起催化作用的碳在阴极。电池壳体上的孔可 让空气中的氧进入腔体附着在阴极的碳上。同时，阳极的锌被氧化。 阴极——是起催化作用的碳从空气中吸收氧。 阳极——是锌粉和电解液的混合物，成糊状。 电解液——高浓度的氢氧化钾水溶液。 隔离层——用于隔离两级间固体 粉粒的移动。 绝缘和密封衬垫——尼龙材料。 电池外表面——镍金属外 壳，具有良好的防腐性的 导体。
新能源材料与技术-第2章 锂离子电池材料-1
嵌入和脱出来进行充放电；
离子电池的组成
14
01锂离子电池概述
八、锂离子电池的组成
锂离子电池的结构一般包括以下部件:正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、 绝缘材料、安全阀、PTC (正温度控制端子)、电池壳。 以圆柱形锂离子电池为例，其结构如图2-2 (a)所示，扣式电池的结构与圆柱形电池的结构相似。方形 锂离子电池的结构如图2-2 (b)所示。聚合物锂离子电池的结构如图2-2 (c)所示。
以LiCoO2为例：
充电 放电
充电 放电
充电 放电
12
01锂离子电池概述
七、锂离子电池与锂原电池（锂电池）的主要区别
1. 锂电池是一次电池，不可充电；锂离子电池是二次电池，可充电； 2. 在负极材料的选择上，锂电池（锂原电池或者锂金属电池）使用锂金属或者锂合金为负极，
而锂离子电池主要选择的是石墨类材料。 3. 原理不同：锂电池是锂做负极发生的氧化还原反应；锂离子电池是通过锂离子在石墨负极上
能刺透在正负极之间起电子绝缘作用的隔膜，最终触到正极，造成电池内部短路，引起安全问题。 4. 1980年，M. Armand 提出了“摇椅式”二次锂电池的设想，即正负极材料采用可以储存和交换锂离子的
层状化合物，充放电过程中锂离子在正负极之间穿梭，从一边“摇”到另一边，往复循环，相当于锂的 浓差电池。 5. 在20世纪80年代初期，Goodenough 合成了 LiMO2 (M=Co、Ni、Mn) 化合物，这些材料均为层状化 合物，能够可逆地嵌入和脱出锂，后来逐渐发展成为二次电池的正极材料。这类材料的发现改变了二 次锂电池锂源为负极的传统思想。
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。放电时，锂离子从负极脱嵌进入正极。
离子电池的组成
14
01锂离子电池概述
八、锂离子电池的组成
锂离子电池的结构一般包括以下部件:正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、 绝缘材料、安全阀、PTC (正温度控制端子)、电池壳。 以圆柱形锂离子电池为例，其结构如图2-2 (a)所示，扣式电池的结构与圆柱形电池的结构相似。方形 锂离子电池的结构如图2-2 (b)所示。聚合物锂离子电池的结构如图2-2 (c)所示。
以LiCoO2为例：
充电 放电
充电 放电
充电 放电
12
01锂离子电池概述
七、锂离子电池与锂原电池（锂电池）的主要区别
1. 锂电池是一次电池，不可充电；锂离子电池是二次电池，可充电； 2. 在负极材料的选择上，锂电池（锂原电池或者锂金属电池）使用锂金属或者锂合金为负极，
而锂离子电池主要选择的是石墨类材料。 3. 原理不同：锂电池是锂做负极发生的氧化还原反应；锂离子电池是通过锂离子在石墨负极上
能刺透在正负极之间起电子绝缘作用的隔膜，最终触到正极，造成电池内部短路，引起安全问题。 4. 1980年，M. Armand 提出了“摇椅式”二次锂电池的设想，即正负极材料采用可以储存和交换锂离子的
层状化合物，充放电过程中锂离子在正负极之间穿梭，从一边“摇”到另一边，往复循环，相当于锂的 浓差电池。 5. 在20世纪80年代初期，Goodenough 合成了 LiMO2 (M=Co、Ni、Mn) 化合物，这些材料均为层状化 合物，能够可逆地嵌入和脱出锂，后来逐渐发展成为二次电池的正极材料。这类材料的发现改变了二 次锂电池锂源为负极的传统思想。
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。放电时，锂离子从负极脱嵌进入正极。
开发新能源PPT课件PPT56页
世界能源的现状
1、目前世界能源主要取自于化石能源 （石油、天然气与煤炭）；
2、随着社会经济的发展，对能源的需求 也日益增长。预计，2010年全球能源 需求量达到105.99亿吨油当量，2020 年达到128.89亿吨当量，2025年则达 到136.50亿吨当量，平均年增率为2%；
7
3、目前世界的化石能源岌岌可危： 截止到2003年底，全球剩余的石 油已探明的可开采量为1565.8亿 吨，如果，以后没有发现新的蕴 藏量可观的油田的话，估计到20 40年，最多到2050年就要用完； 而天然气估计可以用到2050年， 加上可能再发现的天然气田,最
我国能源总量大
但人均能源少 我国仍然面临着许多能源问题！
且能源分布不均
1
看下列三则材料，你有什么想说的？
1.我国和世界的能源消耗
2.我国的能源结构
3.国际能源机构的统计，地球上的石油、天然气、煤供 人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。 目前人们使用的能源主要是煤、石油、天然气等， 但这些能源储存量十分有限，且是不可再生的。所以
33
太阳能汽34
航天器上的太阳能电板
35
上海世博会主体建筑屋顶上的太阳能装3置6
太阳能路灯
37
太阳能
太阳灶 38
太阳能
太阳能发电装置
39
太阳能
太阳能计算器
40
太阳能
太阳能发电站 41
风能
42
风能
澳大利亚风力发电 43
风能
44
生物能
45
地热
阿里地区地热田 46
地热
冰岛地热
47
核能
核能发电示意15图
核能
英国的原子能发电站 16
新材料新能源技术-PPT精品文档36页
• 1972年在产量上超过尼龙、棉纶的合成纤维新品种聚 脂纤维问世，其中涤纶制品热稳定性高、强度大、褶 皱性好，是—·种深受欢迎的合成纤维，各国都在积极 发展。
• 14.1.3 新型无机非金属材料 常见的新型无机非金属材料有工业陶瓷、光导纤维和 光导体材料。 光导纤维是可有效地远距离传导光信号的玻璃或塑料 纤维。它的优点是：重量轻，通信容量大，传输损耗 低，在很宽的频带内频率能保持稳定。
由光导纤维构成的光缆
半导体材料还可用来制作晶体管、集成电路、固态激光器 和探测器等器件。
半导体材料
• 当前半导体硅是制作集成电路和大规模集成电路的材 料。虽然在硅片上可以取得很大的集成度，但是硅在 处理信息的速度上是有限度的。作为下一代半导体材 料的砷化镓，在存贮信息的能力上与硅一样，处理信 息的能力则可比半导体硅快10倍。
• 新材料主要包括新型金属材料、高分子合成材料、复合 材料、新型无机非金属材料、光电子材料和纳米材料等。
• 14.1.1 新型金属材料
重要的新型金属材料有铝、镁、钛合金以及稀有金属。 新型铝合金品种繁多、重量轻、导电性好，可代替铜 用作导电材料。 新型镁合金既轻又强，是制造直升机某些零件的理想 材料。新型高强度钛合金不仅可用来制造超音速飞机 和宇宙飞船，而且广泛应用于化学工业、电解工业和 电力工业，被誉为“未来的钢铁”。
• 14.1.4 复合材料 复合材料是有机高分子、无机非金属和金属等材料复 合而成的一种多相材料，特点是不仅能保持其原组分 的部分特点，而且还具有原组分所不具有的性能。
复合材料制成 的座椅和长条 凳，不仅重量 减轻，其外观 设计上也明显 与众不同了。
复合材料可分结构复合材料与功能复合材料两大类。
• 煤炭与石油资源是有限的，因此新能源技术只要指对 各种新能源的开发与利用。
• 14.1.3 新型无机非金属材料 常见的新型无机非金属材料有工业陶瓷、光导纤维和 光导体材料。 光导纤维是可有效地远距离传导光信号的玻璃或塑料 纤维。它的优点是：重量轻，通信容量大，传输损耗 低，在很宽的频带内频率能保持稳定。
由光导纤维构成的光缆
半导体材料还可用来制作晶体管、集成电路、固态激光器 和探测器等器件。
半导体材料
• 当前半导体硅是制作集成电路和大规模集成电路的材 料。虽然在硅片上可以取得很大的集成度，但是硅在 处理信息的速度上是有限度的。作为下一代半导体材 料的砷化镓，在存贮信息的能力上与硅一样，处理信 息的能力则可比半导体硅快10倍。
• 新材料主要包括新型金属材料、高分子合成材料、复合 材料、新型无机非金属材料、光电子材料和纳米材料等。
• 14.1.1 新型金属材料
重要的新型金属材料有铝、镁、钛合金以及稀有金属。 新型铝合金品种繁多、重量轻、导电性好，可代替铜 用作导电材料。 新型镁合金既轻又强，是制造直升机某些零件的理想 材料。新型高强度钛合金不仅可用来制造超音速飞机 和宇宙飞船，而且广泛应用于化学工业、电解工业和 电力工业，被誉为“未来的钢铁”。
• 14.1.4 复合材料 复合材料是有机高分子、无机非金属和金属等材料复 合而成的一种多相材料，特点是不仅能保持其原组分 的部分特点，而且还具有原组分所不具有的性能。
复合材料制成 的座椅和长条 凳，不仅重量 减轻，其外观 设计上也明显 与众不同了。
复合材料可分结构复合材料与功能复合材料两大类。
• 煤炭与石油资源是有限的，因此新能源技术只要指对 各种新能源的开发与利用。
1.第七章__新能源材料
石油/年 天然气/年
煤/ 年
铀/年
世界
49
57
262
60
中国
23
61
102
30
3.矿物能源面临枯竭 世界化石燃料探明可采储量
煤碳（GT） 1043.86 世界总计 241.0 前苏联 240.56 美国 114.5 中国 90.94 澳大利亚 60.07 德国 69.59 印度 55.33 南非 42.1 波兰 石油（GT） 137.3 世界总计 25.7 沙特 13.4 伊拉克 13.3 科威特 12.7 阿联酋 12.2 伊朗 9.3 委内瑞拉 7.8 前苏联 7.3 墨西哥 3.8 美国 3.3 中国 天然气（TM3） 14. 1 世界总计 5.6 前苏联 2.1 伊朗 0.71 卡塔尔 0.53 阿联酋 0.53 沙特 0.46 美国 0.38 委内瑞拉 阿尔及利亚 0.36 0.34 尼日利亚 0.31 伊拉克 0.17 中国
常用高压氢气瓶
活性炭储氢
活性炭比表面积可达2000m2/g 以上，低温加压可吸附储氢。 活性炭原料易得，吸附储氢和 放氢操作都比较简单。 富勒烯 (C60)和碳纳米管 (CNT) 对氢气具有较强的吸附作用。 单层碳纳米管的吸氢量比活性 炭高，H2的吸附量可达5％-10 ％ (质量分数 )，有望成为新一 代储氢材料。
储氢材料
氢能是人类未来的理想能源。
氢能热值高，如燃烧 1kg氢可发热 1.4×105kJ，相当于 3kg
汽油或4.5kg焦炭的发热量；
资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到
11.1％；
干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染；
应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于
6.材料科学进展--新能源材料1
Mg (Target 3.5wt%)
BCC (TiCrV)
0.05
AB2
MgNiV
BCC (TiCrV)
Conventional Alloys
0.01 1.0
2.0
3.0Biblioteka 4.05.06.0 7.0 8.0
10.0
Gravimetric Density , wt%
负极材料（储氢材料）
AB5型混和稀土系储氢合金
海洋能
潮汐的发生是地球受月球和太阳引力的影响而引 起的涨潮时海水向岸边冲去，落潮时又退回海中， 每天有规律地往复运动。受海岸、港湾地形的影 响，海面的高度在高潮和低潮时有很大差别。可 以用来推动机械装置，又可以用来发电。
氢能
氢是理想能源，热值高、无污染。 存在的问题：1）氢的来源，只能通过电解水，太 阳能分解水，生物制氢，以及化工、冶金等流程制 氢，这就需要消耗能源；2）在存储、运输及应用 过程中易爆，使材料产生氢脆、氢腐蚀，以及氢渗 漏等。 利用方式： 1）直接燃烧；2）储氢：将材料与氢结合成为氢化 物，需要时加热放氢，放完后还可继续充氢。如储 氢合金是高能蓄电池的负极。
金属氢化物 镍电池材料
正极材料（ Ni(OH)2 ）； 负极材料（储氢材料）； 制备电极的基板材料； 电介质材料； 聚合物隔膜； 添加剂； 电池壳体； 密封件；
高密度球形Ni(OH)2正极材料
制备方法： 1）化学沉淀晶体生长法（最常用）； 镍盐+碱形成微晶核，再长成球形Ni(OH)2 硫酸镍+氢氧化钠+氨水+添加剂 2）镍粉高压氧化催化法；
Ni/MH电池材料
1960年代，荷兰和美国先后发现LaNi5和 MgNi5具有可逆吸放氢性能； 1973，将 LaNi5作为二次电池负极材料研究； 1984，解决了LaNi5合金在充放电过程中的容 量衰减迅速的问题，实现了利用储氢合金作 为负极材料制造Ni/MH电池的可能； 1987年，工业化Ni/MH电池投产。
新能源材料 第一章 绪论
绪论
1.3 &1.4 新能源材料及其发展方向 ①超导材料
超导现象
磁悬浮列车 超导计算机
绪论
1.3 &1.4 新能源材料及其发展方向 ②能源材料
能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。
最近进展具体如下： 1、太阳能电池：钙钛矿材料等； 2、储氢材料：金属有机框架材料、金属化合物等； 3、固体氧化物电池材料：固体电解质、阴极材料等； 4、固态锂离子电池：固体电解质、锰基层状化合物等； 5、燃料电池：有机质子交换膜、碱性交换膜等；
形状记忆合金
绪论
1.3 &1.4 新能源材料及其发展方向 ④磁性材料
磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料两类。 软磁材料是指那些易于磁化并可反复磁化的材料,但当磁场去除后,磁性即随之消失。 这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头 存储器磁芯;在强电技术中可 用于制作变压器、开关继电器等。目前常用的软磁体有铁硅合金 铁镍合金、非晶金属。 永磁材料(硬磁材料)经磁化后,去除外磁场仍保留磁性,其性能特点是具有高的剩磁、高 的矫顽力。利用此特性可制造永久磁铁,可把它作为磁源。如常见的指南针、仪表、微电 机、电动机、录音机、电话及医疗等方面。永磁材料包括铁氧体和金属永磁材料两类。铁 氧体的用量大应用广泛、价格低,但磁性能一般,用于一般要求的永磁体。金属永磁材料已 用于高性能扬声器、电子水表、核磁共振仪、微电机、汽车启动电机等。
对于家里有矿的大佬：
1、新能源相关的投资（如股票），学习本门课程，将学会一些基本辨别的水平。 2、上述两条同样适用。
对于想或者以后无意间从事相关工作的同学：
1、本门课的学习将提供一个基础的认识，并提供相关实践机会。 2、本门课也可为想读新能源相关的研究生专业提供学术基础知识。
新能源材料固体氧化物燃料电池(SOFC)PPT课件
☺ 纯ZrO2不导电，8%~9%（摩尔分数）Y2O3全稳定 YSZ表现出最大电导率；
☺ YSZ材料力学性能一般，且随温度升高而明显衰减。
☺ ZrO2系统中，低Y2O3含量（2%~3%）时具有四方相 稳定结构（Y-TZP），室温和高温下都表现出很好的 力学性能，在600℃以下时，电导率比YSZ高。
☺ 加入Al2O3可提高YSZ基体力学性能，且电导率得以提 高或至少不降低。
量保证了SOFC在高温下运行；二是高温热量可以有 效的利用，如蒸汽发电等；
➢ SOFC可以直接使用任何可燃物质作为燃料。
二、SOFC的结构类型及其特点 常采用的结构类型有管型和平板型两种。 ✓ 管型SOFC电池组由一端封闭的管状单电池以串联、
并联方式组装而成。
✓ 平板型SOFC的空气电极/YSZ固体电解质/燃料电极烧 结成一体，组成“三合一”结构（PEN）。
CHENLI
17
掺杂CeO2电解质的性质： Ce4+向Ce3+的转变产生于低氧分压区，有明显的 电子电导出现；
杂质的引入可以限制CeO2在还原气氛中还原； 在CeO2固溶体外包裹一层稳定的离子导电薄膜 如YSZ可限制其还原；
CeO2的电导率随着掺杂元素的离子大小、
8
电解质材料 氧化钇稳定立方氧化锆（YSZ）
氧化钪稳定立方氧化锆（SSZ） 钙钛矿结构的镓酸镧基氧化物
掺杂立方氧化铈（DCO）
高温SOFC（800~1000℃） 中温SOFC（600~800℃） 低温SOFCE（600℃以下）
CHENLI
9
电解质
SOFC主要电解质的优越性和不足之处 优点
单斜结构 1170℃
四方结构 2370℃ 面心立方结构
CHENLI
☺ YSZ材料力学性能一般，且随温度升高而明显衰减。
☺ ZrO2系统中，低Y2O3含量（2%~3%）时具有四方相 稳定结构（Y-TZP），室温和高温下都表现出很好的 力学性能，在600℃以下时，电导率比YSZ高。
☺ 加入Al2O3可提高YSZ基体力学性能，且电导率得以提 高或至少不降低。
量保证了SOFC在高温下运行；二是高温热量可以有 效的利用，如蒸汽发电等；
➢ SOFC可以直接使用任何可燃物质作为燃料。
二、SOFC的结构类型及其特点 常采用的结构类型有管型和平板型两种。 ✓ 管型SOFC电池组由一端封闭的管状单电池以串联、
并联方式组装而成。
✓ 平板型SOFC的空气电极/YSZ固体电解质/燃料电极烧 结成一体，组成“三合一”结构（PEN）。
CHENLI
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掺杂CeO2电解质的性质： Ce4+向Ce3+的转变产生于低氧分压区，有明显的 电子电导出现；
杂质的引入可以限制CeO2在还原气氛中还原； 在CeO2固溶体外包裹一层稳定的离子导电薄膜 如YSZ可限制其还原；
CeO2的电导率随着掺杂元素的离子大小、
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电解质材料 氧化钇稳定立方氧化锆（YSZ）
氧化钪稳定立方氧化锆（SSZ） 钙钛矿结构的镓酸镧基氧化物
掺杂立方氧化铈（DCO）
高温SOFC（800~1000℃） 中温SOFC（600~800℃） 低温SOFCE（600℃以下）
CHENLI
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电解质
SOFC主要电解质的优越性和不足之处 优点
单斜结构 1170℃
四方结构 2370℃ 面心立方结构
CHENLI
新能源汽车概论课件：新材料和新技术应用(128页PPT课件) -
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7.1.2 鎂合金的主要成型工藝
➢3.擠壓鑄造 ➢擠壓鑄造是將一定量的熔融金屬液直接注入金屬模膛，在機 械靜壓力的作用下，使處於熔融或半熔融狀態的金屬流動並 凝固成型，從而獲得毛坯或零件。擠壓鑄造最重要的參數是 澆鑄溫度和充型壓力等，其直接影響合金本身的性能和化學 成分。擠壓鑄造能提高材料利用率，降低生產成本，縮短生 產週期。擠壓鑄造的鑄型溫度一般為200~300℃，充型壓力 為50~150MPa。
第*頁
7.1.2 鎂合金的主要成型工藝
➢2.低壓鑄造 ➢低壓鑄造已經應用於生產鎂合金汽車鑄件，此法可以保證平 穩充型，避免鎂合金液氧化和卷氣，還可以在鑄造過程中將 加壓系統與鎂合金的氣體保護有效地結合起來。低壓鑄造由 於其充型過程的平穩性和良好的排氣性能，被廣泛應用於輪 轂等對鑄件缺陷較為敏感的零件製造上。
第*頁
7.2.1 碳纖維的定義和分類
➢2.碳纖維的分類 ➢碳纖維的分類有許多方法，可按原料、力學性能和狀態來進 行分類。
➢（1）按原料分類。碳纖維按原料可分為聚丙烯腈系碳纖維 和瀝青系碳纖維。其中聚丙烯腈系碳纖維具有高強度、高彈 性率的性質，在航空器材、體育、休閒娛樂等領域大範圍使 用；瀝青系碳纖維具有的高彈性模量、高導熱性等特性是聚 丙烯腈系碳纖維所達不到的，通常以長纖維形態被利用。由 於瀝青系碳纖維為高模量級纖維，比彈性模量高，適合於支 配剛性結構物輕量化並賦予其結構剛性。另外，瀝青系碳纖 維具有高導熱性、低電阻、低熱線性膨脹率及化學穩定性好 等特性。
第*頁
7.2.3 碳纖維在汽車上的應用
➢1.在汽車車身和底盤上的應用 ➢由於碳纖維增強複合材料有足夠的強度和剛度，是製造汽車車 身和底盤等主要結構件的最輕材料。預計碳纖維複合材料的應 用可使汽車車身、底盤減輕重量40%~60%，相當於鋼結構重量 的1/3~1/6。 ➢英國材料系統實驗室曾對碳纖維複合材料減重效果進行研究， 結果表明碳纖維複合材料車身重量僅為172kg，而鋼制車身重量 為368kg，減重約50%。 ➢但由於碳纖維成本較高，碳纖維增強複合材料在汽車上的應用 有限，僅在一些F1賽車、高級轎車上有所應用。
7.1.2 鎂合金的主要成型工藝
➢3.擠壓鑄造 ➢擠壓鑄造是將一定量的熔融金屬液直接注入金屬模膛，在機 械靜壓力的作用下，使處於熔融或半熔融狀態的金屬流動並 凝固成型，從而獲得毛坯或零件。擠壓鑄造最重要的參數是 澆鑄溫度和充型壓力等，其直接影響合金本身的性能和化學 成分。擠壓鑄造能提高材料利用率，降低生產成本，縮短生 產週期。擠壓鑄造的鑄型溫度一般為200~300℃，充型壓力 為50~150MPa。
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7.1.2 鎂合金的主要成型工藝
➢2.低壓鑄造 ➢低壓鑄造已經應用於生產鎂合金汽車鑄件，此法可以保證平 穩充型，避免鎂合金液氧化和卷氣，還可以在鑄造過程中將 加壓系統與鎂合金的氣體保護有效地結合起來。低壓鑄造由 於其充型過程的平穩性和良好的排氣性能，被廣泛應用於輪 轂等對鑄件缺陷較為敏感的零件製造上。
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7.2.1 碳纖維的定義和分類
➢2.碳纖維的分類 ➢碳纖維的分類有許多方法，可按原料、力學性能和狀態來進 行分類。
➢（1）按原料分類。碳纖維按原料可分為聚丙烯腈系碳纖維 和瀝青系碳纖維。其中聚丙烯腈系碳纖維具有高強度、高彈 性率的性質，在航空器材、體育、休閒娛樂等領域大範圍使 用；瀝青系碳纖維具有的高彈性模量、高導熱性等特性是聚 丙烯腈系碳纖維所達不到的，通常以長纖維形態被利用。由 於瀝青系碳纖維為高模量級纖維，比彈性模量高，適合於支 配剛性結構物輕量化並賦予其結構剛性。另外，瀝青系碳纖 維具有高導熱性、低電阻、低熱線性膨脹率及化學穩定性好 等特性。
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7.2.3 碳纖維在汽車上的應用
➢1.在汽車車身和底盤上的應用 ➢由於碳纖維增強複合材料有足夠的強度和剛度，是製造汽車車 身和底盤等主要結構件的最輕材料。預計碳纖維複合材料的應 用可使汽車車身、底盤減輕重量40%~60%，相當於鋼結構重量 的1/3~1/6。 ➢英國材料系統實驗室曾對碳纖維複合材料減重效果進行研究， 結果表明碳纖維複合材料車身重量僅為172kg，而鋼制車身重量 為368kg，減重約50%。 ➢但由於碳纖維成本較高，碳纖維增強複合材料在汽車上的應用 有限，僅在一些F1賽車、高級轎車上有所應用。
新能源材料课件
• 麻风树是世界上公认的生物 能源树，其果实可全部用来 炼取生物柴油，而且在“碳 汇交易”市场上具有巨大潜 力，
麻风树种植
麻风树果实-小桐子
10
• 2011年11月，从小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于 波音747客机在首都机场首次验证试飞成功。
• 本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公 司合作完成，我校陈放教授应邀参加。
煤炭开采
海上石油开采平台
严重的生态破坏
3
• 生态环境严重破坏：
1952年12月，伦敦烟雾； 酸雨； 河流干涸；
4
• 巨大的能源危机：
已开采800亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明 的1770亿吨石油储量仅够开采50年;
已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年； 已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400 年; 已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座
第八讲 新能源材料
New Energy Materials
1
主要内容
新能源材料 储氢材料 新型二次电池材料 燃料电池材料 太阳能电池材料 核能材料
2
• 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础,是现代 文明的三大支柱之一。
• 目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类 的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿 物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。
资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到 11.1％；
干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染； 应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于
氢能汽车、化学热泵等。
• 氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。
16
• 氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。 • 氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一
麻风树种植
麻风树果实-小桐子
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• 2011年11月，从小桐子中提炼出的生物航空燃料应用于 波音747客机在首都机场首次验证试飞成功。
• 本次试飞由国航、中石油、美国波音公司和霍尼韦尔公 司合作完成，我校陈放教授应邀参加。
煤炭开采
海上石油开采平台
严重的生态破坏
3
• 生态环境严重破坏：
1952年12月，伦敦烟雾； 酸雨； 河流干涸；
4
• 巨大的能源危机：
已开采800亿吨石油，按现在的开采速度， 地球上已探明 的1770亿吨石油储量仅够开采50年;
已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年； 已探明的9827亿吨煤炭还可用300年到400 年; 已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座
第八讲 新能源材料
New Energy Materials
1
主要内容
新能源材料 储氢材料 新型二次电池材料 燃料电池材料 太阳能电池材料 核能材料
2
• 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础,是现代 文明的三大支柱之一。
• 目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类 的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿 物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。
资源丰富，地球表面有丰富的水资源，水中含氢量达到 11.1％；
干净、清洁，燃烧后生成水，不产生二次污染； 应用范围广，适应性强，可作为燃料电池发电，也可用于
氢能汽车、化学热泵等。
• 氢能的开发利用已成为世界特别关注的科技领域。
16
• 氢能利用关键是高密度安全储存和运输技术。 • 氢密度很小，单位重量体积很大。目前市售氢气一
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(7) 新能源材料的基础：
新能源材料是材料学科的一个重要研究方向； 新能源材料分类：
新能源技术材料； 能量转化与储能材料； 节能材料。 新能源材料的基础：仍然是材料科学与工程 基于新能源理念的演化与发展。
22
新材料的作用：
新材料把原来习用已久的能源变为新能源。
如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电 能；燃料电池能使氢与氧反应而直接产生电能， 代替过去利用氢气燃料获得高温。
框架公约》和《京都议定书》。许多国家和非政府组织相 应建立了碳基金，并以此为平台开展减排和碳汇项目。以 实际行动参与应对气候变化
联合国气候变化框架公约
19
(6) 新能源的开发不断取得进展
不可再生能源逐渐向新能源和可再生能源过 渡，是发展国际趋势。
太阳能、生物能、核能、风能、地热、海洋 能等一次能源和二次能源中的氢能。
24
(8) 能源材料的概念及分类
广义上，凡能源工业及能源利用技术所需的材料都 可称为能源材料。
新能源材料－如增殖堆用核材料、太阳能电池材料 节能材料－如非晶态金属磁性，超导材料。 储能材料－如贮氢（吸氢）材料，高比能电池材料
25
参考资料:
1、《新能源材料-基础与应用》艾德生等编著，化学工业 出版社。
3
能源应用现状
(1) 人类社会对能源的需求不断增加。
能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。 人类社会的发展伴随着能源消耗的增加。
世界一次能源消费的增长率
4
(2)能源结构发生变化。
世界一次商品能源构成
5
(3) 能源应用形态有所改变。
小型的可移动电源的需求量增长很快， 这主要是信息技术发展的结果；特别是近年来 笔记本电脑、手提电话等移动通信、摄像机、 声像设备以及一些军用电子设备的发展，对电 池的能量密度要求更高，并要求能够反复使用。 因此促进了高容量二次电池的发展。
燃料油
2900
2700
化工用油
4700-5600
7200-8700
其它
5400-5500
6600-6700
石油产品合计
31300-33500
38800-47700
国内石油需求
3.3-3.5亿吨
4.1-5.0亿吨
其它：LPG、沥青、石油焦、溶剂油、硫磺等 2004年我国汽柴油消耗分别达4706万吨和10292万1吨0 (合计1.5亿吨)
表3 全球各国CO2排放量比较排行
二氧化碳是化石能源的最终排放形态
12
汽车油耗占汽柴油诮费的比例(2002)
汽油车
耗油量， 占消费量，
万吨
%
2825
75.5
柴油车 1888
24.2
交通运输用油约占石油消耗的40%
13
2020年 原油需求控制在4.5亿吨，至少进口2.5亿吨，
对外存度65%；
汽车保有量应控制在1亿辆 2004年，产量500万辆，到2010年汽车年产超 过1000万辆。
14
(5) 矿物燃烧造成环境污染。（SO2、CO、CO2、NO）
（植被、土壤；气候；健 康）
图2 世界CO2排放量随时间的变 化
15
在北京、上海等大城市，空气污染 的60%来自汽车排放 二氧化碳的全球排放量中，中国居 第二
16
550 ppm
从左图大气
CO2 浓 度 随 年 代 的变化及其在全
球的分布图可以 看出：
2010
很明显，近
20 年 来 ， CO2 的
浓度上升迅速非
常 迅 速 ， 2010 年
将 接 近 550ppm
。
而且，主要
分布在美国和中 国所在的北半球 高纬度60-80度处 。 17
CO2大量排放带来的最直接危害就是产生温室效应！
18
化石能源及其现状
应对气候变化的国际行动 为应对全球气候变化，国际社会制定了《联合国气候变化
新能源的开发一方面靠利用新的原理来发 展新的能源系统，另一方面靠材料的开发与应用， 使新系统得以实现，并提高效率，降2低0 成本。
Potential of Renewable Energy
• Hydroelectric • Geothermal • Wind
Biomass Solar Tide
21
新能源材料
—基础与应用
丁占来 石家庄铁道大学材料学院
1
第一章 课程绪论
1.1 新能源的概念 1.2 新能源材料基础 1.3 新能源材料的应用现状
2
能源分类
能源分类
一次能源
可再生能源
非再生能源
二次能源(经转换 或提炼）
风能，水能，太 化石燃料（煤， 电能，氢能，汽 阳能，地热，海 石油，天然气） 油，柴油等 洋能，生物能 铀
2、 《新能源材料-基础与应用》吴其胜 主编 ，华东理工 大学出版社。
3、《新能源材料与应用》童忠良，张淑谦，杨京京 编 著 ，国防工业出版社 。
据可靠资料报道，到2020年， 我国能源的消费比例除了利用 石油、煤和天然气以及水电外， 风能的消费比例要占到10%， 核能的消费要占到3%。
各种能源的消费比例图
9
我国石油产品需求预测
2010年，万吨
2020年，万吨
汽、煤、柴油
17750-18900
21700-28800
润滑油
520-560
560-770
6
(4) 矿物能源面临枯竭。（1992世界能源大会）
石油/年 天然气/年 煤/年
铀/年
世界
49
57
262
60
中国
23
61
102
30
7
Total Primary Power vs Year 1990: 12 TW 2050: 288TW
能源现状与发展问题
1.可再生清洁能源如风能、太 阳能等所占比例不到3% 2.石油、煤和天然气占初级 能源消耗的85%左右 3.其余主要是火电和水电
无穷大
300 250 200 150 100
50 0 太阳能
约230年
约45年 约15
约61年 约30
约81
约71年 约50
石油 天然气 煤
铀
世界 中国
我国各种能源探明储量（以储采比表示）与世界比较
摘自“光伏技术和产业发展战略国际研讨会：机遇与挑战” 论文集
2004年4月8日， 北京 P8
11
化石能源及其现状
一些新材料可提高储能和能力转化效果
如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的 储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二 次电池。
23
新材料决定着核反应堆的性能与安全性。 材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着投资与运行 成本。
如：太阳电池材料决定着光电转换效率；
燃料电池的电极材料决定着电池的质量和 寿命； 材料的制备工艺又决定着能源的成本。