新材料在能源领域的应用：能量转换与储能方式的探索

新材料在能源领域的应用：能量转换与储能方式的探索

新材料在能源领域的应用方式 （一）能量转换 例如：高效太阳能转换材料、制氢材料(酶) （二）储能材料-以相变材料的应用为例 能源转换应用的新材料 太阳能转换领域的新材料： 1.化石燃料制氢 2.电解水制氢 3.生物制氢(生物酶) 4.光催化制氢(半导体材料) Z型体系 悬浮体系 光电化学体系 例如：多壁碳纳米管改性的CdS-TiO2复合光催化材料 储能的几种方式 相变材料储能 机械储能 飞轮储能 应用电子技术专业 机械储能 应用电子技术专业 机械储能 应用电子技术专业 机械储能 世界上第一座商业化的CAES发电站于1978年在德国建成，装机容量为290MW，能源转换效率为77%。 2009年被美国列为电子技术十大未来技术应用之一。 机械储能。1999年欧洲某公司采用高强度碳纤维与玻璃纤维复合材料制成飞轮，转速为1250转/min，2001年该系统投入运行，作为UPS使用，储能容量为18MJ。 电磁储能。超导磁储能系统（SMES）是利用超导体制成的线圈储存磁场能量，电能传输时无须转换能量形式，具有响应速度快（ms级）、转换效率高（96%）、比容量大（1~10Wh/kg）/比功率大（104~105kW/kg）等优点，能与电力系统实现实时大容量能量交换和功率补偿。

电磁储能超级电容器是近几年才开始量产的新型动力储能装置，又称电化学电容器，既有静电电容器的高放电功率优势，又有像电池一样的大电荷存储容量，单体容量现已达到万法拉级别。同时超级电容器还具有循环寿命长、功率密度高、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环保免维护等优点。应用电子技术专业超级电容器应用电子技术专业超级电容器化学储能铅酸电池钠硫电池应用电子技术专业化学储能-镍电池锂电池所谓锂离子电池，是指由两种可以可逆地嵌入和脱嵌锂离子的化合物作为正负极组成的二次电池。 人们把这种电池叫做锂离子电池，它依靠锂离子在正负极之间转移来完成电池的充电和放电，这种独特的机制，叫“摇椅电池”，俗称“锂电池”。 应用电子技术化学储能-镍基电池 优点：能量密度高、充放电速度快、重量轻、寿命长、无环境污染等。 循环寿命长，一般在500次以上，甚至1000次以上 缺点：锂离子电池的主要问题是过充或过放时会爆炸。手机电池采用单体电池，再配合良好的保护电路使用，基本上杜绝了电池爆炸的问题。 锂电池 应用电子技术化学储能-液流电池 电解液（储能介质）储存在电池外部的电解液储罐中，电池内部的正负极被离子交换膜隔成两个独立的腔体（正极侧和负极侧）。 电池工作时，正、负极电解液在各自的液体输送泵的作用下，强制循环经过各自的反应腔，参与电化学反应。

化学储能-液流电池 液流储能电池是一类适用于固定式大规模储能（电能储存）的装置，与目前常用的铅酸电池、镍镉电池等二次电池相比，具有功率与储能容量独立设计（储能介质储存于电池外部）、效率高、寿命长、深度放电、环境友好等优势，是大规模储能技术的首选技术之一。 相变材料在储能中的应用 应用前景 相变储能材料的机理 相变材料由液态变成固态时，要发生一个物理状态的变化，在这两个相变过程中，材料从环境中吸收热量，反之则向环境中释放热量，相变材料在熔化或凝固过程中虽然温度不变，但是吸收或释放的潜热是相当大的 相变储能材料的分类 相变储能材料根据相变形式和相变过程主要分为固-固相变和固-液相变储能材料； 按相变温度范围分为高温、中温、低温储能材料；按其组成成分大致可分为无机和有机（包括聚合物）储能材料。通常相变材料由多种组份组成，包括主储热剂、相变点调节剂、抗过冷剂、抗相分离剂、相变促进剂等组份。相变储能材料的分类目前，国内外开发的固液相变材料主要有无机水合盐和有机物两大类。（一）简单盐：LiH分子量小，熔化热较高，为2840J/g，已作为人造卫星上的储能材料使用：LiF也是一种理想的储能材料，以550~848显热和843~C熔化热启动斯特林热机，采用真空密封式。

缺点是价格昂贵，只能在特殊场合使用。（2）碱：碱的比热容大，熔化热大，稳定性强，高温下蒸气压很低，价格便宜，也是很好的储能材料。常用的有机相变材料有高级脂肪烃、脂肪酸或其酯或盐、醇、芳烃、芳香酮、酰胺、氟利昂、多羟基碳酸及聚合物等。聚合物有聚烯烃、多元醇、多烯醇、多烯酸、聚丙烯酰胺、三羟甲基甲烷（TMP）、三羧甲基氨基甲烷等。聚合物相变材料多为聚乙烯。聚乙烯价格便宜，易溶解，表面光滑，与发热体表面结合紧密，导热系数高，结晶度与其导热系数呈线性关系。 尤其是结构规整性较高的聚乙烯，如高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯等，结晶度高，单位重量的熔化热也大。层状钙钛矿是一种有机金属化合物，由于其晶体结构呈层状，与矿物钙钛矿结构相似，故称为层状钙钛矿。纯层状钙钛矿及其混合物在固-固转变时相变大（42-146Yg），转变时体积变化小（5%-10%），适合于高温范围的储能和控温，但由于相变温度高，价格昂贵，应用较少。相变储能材料的特点作为相变材料，应满足的主要要求有：满意的相变温度：足够大的相变潜热：性能稳定，可反复使用；相变时膨胀收缩小；导热性好，相变速度快；相变可逆性好，原料廉价易得等。

大部分无机相变材料具有腐蚀性，且在相变过程中存在过冷、相分离等缺点。展望相变储能材料的发展已逐步进入实用阶段，主要用于控制反应温度、利用太阳能以及储存工业反应中的余热和废热等。低温储能主要用于余热回收、太阳能储能以及供暖空调系统等。高温储能用于热机、太阳能发电站、磁流体发电以及人造卫星等。相变储能材料未来的发展主要体现在以下几个方面：展望 (a)进一步筛选环境友好、成本低廉的有机相变储能材料，如可再生脂肪酸及其衍生物等。(b)开发复合相变储热材料是克服单一无机或有机相变材料的缺点，提高其应用性能的有效途径；(c)根据相变材料的应用场合，发展多种复合手段和复合技术。 开发系列化、多品种的复合相变材料是复合相变材料的发展方向之一：（d）开发多组分相变组合材料。在同一储热系统中合理组合不同相变温度的相变材料，可以显著提高系统效率，并在相变过程中保持相变速率的均匀性。这对于对储热、放热有严格要求的储能系统具有重要意义：