新能源材料與器件

1.3　能源發展史

縱觀人類文明發展史，隨著社會生產力和科技水平的發展，人類利用能源的曆史經曆了五個階段：

第一階段：火的發現和利用。

第二階段：畜力、風力、水力等自然動力的利用。

第三階段：化石燃料的開發利用。

第四階段：電力的發現、開發及利用。

第五階段：原子核能的發現、開發及利用。

在能源的利用歷史上，其劃時代的革命性轉折有三個。同時，這三個轉折也意味著三個能源時期的結束。第一個時期稱為「柴薪時期」，這一時期以柴薪等生物質燃料為主要能源，生產和生活水準極其低下，社會發展緩慢。在18世紀，煤炭取代柴薪成了人類社會中的主要能源，人類能源史上出現了第一個轉折，柴薪時期結束，人類開始進入第二個時期「煤炭時期」。這一時期蒸汽機成為生產的主要動力，工業迅速發展，勞動生產力增長很快。19世紀，電力成為工礦企業的主要動力，成為生產和生活照明的主要能源。但這時的電力工業主要依靠煤炭作為燃料。19世紀中期，石油取代煤炭而占據了人類能源的主導地位。人類能源史上的第二個轉折出現，從此人類開始進入第三個時期「石油時期」，近30年來世界上許多國家依靠石油和天然氣創造了人類歷史上空前的物質文明。隨著科學技術的發展，進入21世紀，核能成為世界能源的主角，人類開始進行多能源結構的過渡，第三次能源轉折開始發生，清潔能源的時代也即將到來。

1.4　常規能源

在相當長的歷史時期和一定的科學技術水平下，已經被人類長期廣泛利用的能源，不但為人們所熟悉，而且也是當前主要能源和應用範圍很廣的能源，稱之為常規能源，如煤炭、石油、天然氣、水能、核能等。

1. 煤炭

煤炭是埋在地殼中億萬年以上的樹木等植物，由於地殼變動等原因，經過物理和化學作用而形成的含碳量很高的可燃物質，又稱作原煤。按煤炭的揮發物含量的不同，將其分為泥煤、褐煤、煙煤和無煙煤等類型。

煤炭既是重要的燃料又是珍貴的化工原料，在國民經濟的發展中起著重要作用。煤炭在電源結構中約占72%，在化工生產原料用量中約占50%，在工業鍋爐燃料中約占90%，在生活民用燃料中約占40%。自20世紀以來，煤炭主要用於電力生產和在鋼鐵工業中煉焦，某些國家蒸汽機車用煤的比例也很大。電力工業多用劣質煤（灰分大於30%）。蒸汽機車對用煤質量的要求較高，即灰分應低於25%，揮發分含量要求大於25%，易燃並具有較長的火焰。在煤礦附近建設的坑口發電站，使用了大量的劣質煤作為燃料，直接轉化為電能向各地輸送。另外，由煤轉化的液體和氣體合成燃料對補充石油和天然氣的使用也具有重要意義。

2. 石油

石油是一種用途極為廣泛的寶貴礦藏，是天然的能源物資。在陸地、海上和空中交通方面，以及在各種工廠的生產過程中，都是使用石油或石油產品來作為動力燃料的。在現代國防方面，新型武器、超音速飛機、導彈和火箭所用的燃料都是從石油中提煉出來的。石油是重要的化工原料，可以製成發展石油化工所需的絕大部分基礎原料，如乙烯、丙烯、苯、甲苯、二甲苯等。石油化工可生產出成百上千種化工產品，如合成樹脂、塑膠、合成纖維、合成橡膠、合成洗滌劑、染料、醫藥、農藥、炸藥和化肥等與國民經濟息息相關的產品。因此可以說石油是國民經濟的「血脈」，石油的動蕩對於國民經濟而言是「牽一髮而動全身」。

科學家一直對石油是如何形成的這個問題有爭論。目前大部分的科學家都認同的一個理論是：石油是沉積岩中的有機物質變成的。因為已經發現的油田99%以上都分布在沉積岩區。另外，人們還發現現代的海底、湖底的近代沉積物中的有機物正在向石油慢慢地變化。石油是一種黏稠的液體，顏色深，直接開採出來的未經加工之石油稱為原油。由於所含的膠質和瀝青的比例不同，石油的顏色也不同。石油中含有石蠟，石蠟含量的高低決定了石油的黏稠度的大小。另外，含硫量也是評價原油的指標，含硫量對石油加工和產品性質的影響很大。

3. 天然氣

天然氣是地下岩層中以碳氫化合物為主要成分的氣體混合物之總稱。它主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烴類綜合組成，其中甲烷占80%～90%。天然氣有兩種不同的類型：一種是伴生氣，由原油中的揮發性組分所組成，約有40%的天然氣與石油一起伴生，稱為油氣田，它溶解在石油中或是形成石油構造中的氣帽，並為石油儲藏提供氣壓。另一種是非伴生氣，即氣田氣。它埋藏更深，很多來源於煤系地層的天然氣稱為煤成氣，它可能附於煤層中或另外聚集，在700萬～1700萬帕和40～70℃時每噸煤可吸附13～30m3的甲烷。即使是在伴生油氣田中，液體和氣體的來源也不一定相同。它們所經歷的不同的遷徙途徑和遷移過程完全有可能使它們最終來到同一個岩層構造中。這些油氣構造不是一個大岩洞，而是一些多孔岩層，其中含有氣、油和水。這些氣、油和水通常都是分開的，各自聚集在不同的高度水平上。油、氣分離程度與二者的相對比例、石油黏度及岩石的空隙度有關。

天然氣是一種重要能源，燃燒時有很高的發熱值，對環境的汙染也較小。同時也是一種重要的化工原料，以天然氣為原料的化學工業簡稱為天然氣化工。主要有天然氣製炭黑、天然氣提取氦氣、天然氣製氫、天然氣製氨、天然氣製甲醇、天然氣製乙炔、天然氣製氯甲烷、天然氣製四氯化碳、天然氣製硝基甲烷、天然氣製二硫化碳、天然氣製乙烯、天然氣製硫黃等。

天然氣的勘探、開採與石油類似，但採收率較高，可達60%～95%。大型穩定的氣源常用管道輸送至消費地區，每隔80～160km必須設一增壓站，加上天然氣壓力高，故長距離管道輸送投資很大。最近10年液化天然氣技術有了很大發展。液化後的天然氣體積僅為原來體積的1/600，因此可以用冷藏油輪進行運輸，運到使用地後再進行氣化。另外，天然氣液化後，可為汽車提供方便的，汙染小的天然氣燃料。

4. 水能

許多世紀以前，人類就開始利用水落下時所產生的能量。最初，人們以機械的形式利用這種能量。在19世紀末期，人們學會將水能轉換為電能。早期的水電站規模非常小，只為電站附近的居民服務，隨著輸電網的發展及輸電能力的不斷提高，水力發電逐漸向大型化方向發展，並從這種大規模的發展中獲得益處。水能資源最顯著的特點是可再生、無汙染。開發水能對江、河的綜合治理和綜合利用具有積極作用，對促進國民經濟發展、改善能源消費結構、緩解由於消耗煤炭、石油等化石能源所帶來的汙染有重要意義。因此，世界各國都把開發水能放在能源發展戰略的優先地位。到1998年，發達國家可開發水能資源已經開發了60%，而發展中國家僅開發了20%。所以今後大規模的水電開發主要集中在發展中國家。中國水能資源的理論蘊藏量、技術可開發量和經濟可開發量均居世界第一位，其次為俄羅斯、巴西和加拿大。

5. 核能

由於原子核的變化而釋放的巨大能量叫作核能，也叫作原子能。經過科學家們的大量實驗研究和理論分析，發現釋放核能可以有重核的裂變和輕核的聚變兩條途徑。核能發電是一種清潔、高效的能源獲取方式。對於核裂變，核燃料是鈾、釙等元素。核聚變的燃料則是氘、氚等物質。有一些物質，如釷，其本身並非核燃料，但經過核反應可以轉化為核燃料。

科學家們發現，用中子去轟擊質量數為235的鈾核，鈾核會分裂成大小相差不大的兩個部分，這種現象叫作裂變。裂變後的產物以很大的速度向相反方向飛開，與周圍的物體分子碰撞，使分子動能增加，核能轉化成周圍物體的內能。實驗表明，裂變時釋放的核能十分巨大。1kg鈾-235中的鈾核如果全部發生裂變，釋放出的核能是同樣質量煤燃燒時放出能量的250萬倍。

從1932年發現中子到1939年發現裂變，經歷了7年之久才把巨大的裂變能從鈾核中解放出來。僅發生裂變釋放能量還不夠理想，作為核燃料的原子核在中子轟擊下發生分裂，一個原子核吸收一個中子裂變後，除了能釋放巨大的能量，還伴隨產生2～3個中子。即由中子引起裂變，裂變後又產生更多的中子。在一定的條件下，這種反應可以連續不斷地進行下去，稱為鏈式反應。經過科學家的努力，實現了人為控制鏈式反應，使裂變可以進行、可以停止，形成了核反應堆。

科學家們在對核反應的研究中還發現，兩個較輕的原子核結合成一個較重的原子核時，也能釋放出核能，這種現象叫作聚變。由於聚變必須在極高的溫度和壓強下進行，所以也叫作熱核反應。例如，把一個氘核（質量數為2的氫核）和一個氚核（質量數為3的氫核）在高溫、高壓的環境下結合成一個氦核時，就會釋放出核能。我們最熟悉的太陽內部就在不斷地進行著大規模的核聚變反應，由此釋放出的巨大核能以電磁波的形式從太陽輻射出來。地球上的人類自古以來，每天都在使用著這種聚變釋放出的核能。

面對強大的核能，人們總是又愛又怕。第二次世界大戰中使用的原子彈已經給人類的記憶留下了很深的傷痕。核武器的發展是科學家們所忌憚的事情，實現核能的和平利用，就能夠代替化石燃料。人們已經成功地生產出各種規格的核反應堆，它是核潛艇、核動力破冰船、核電站等設施的核心部件。

1.5　新能源

一些雖屬古老的能源，但只有採用先進方法才能加以利用，或採用新近開發的科學技術才能開發利用的能源：有些能源近一二十年來才被人們所重視，新近才開發利用，而且在目前使用的能源中所占的比例很小，但很有發展前途的能源，稱為新能源，或稱為替代能源，屬於可再生能源，如太陽能、地熱能、潮汐能、生物質能、風力等。有關常規能源與新能源的具體分類如表1-1所示。

新能源的各種形式都是直接或者間接地來自於太陽或地球內部深處所產生的熱能。包括太陽能、風能、生物質能、地熱能、核聚變能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出來的生物燃料和氫所產生的能量。也可以說，新能源包括各種可再生能源和核能。相對於傳統能源，新能源普遍具有汙染小、儲量大的特點，對於解決當今世界嚴重的環境汙染問題和資源（特別是化石能源）枯竭問題具有重要意義。同時，由於很多新能源分布均勻，對於解決由能源引發的戰爭也有著重要意義。

1.3　能源發展史

縱觀人類文明發展史，隨著社會生產力和科技水平的發展，人類利用能源的曆史經曆了五個階段：

第一階段：火的發現和利用。

第二階段：畜力、風力、水力等自然動力的利用。

第三階段：化石燃料的開發利用。

第四階段：電力的發現、開發及利用。

第五階段：原子核能的發現、開發及利用。

在能源的利用歷史上，其劃時代的革命性轉折有三個。同時，這三個轉折也意味著三個能源時期的結束。第一個時期稱為「柴薪時期」，這一時期以柴薪等生物質燃料為主要能源，生產和生活水準極其低下，社會發展緩慢。在18世紀，煤炭取代...

前言

新能源技術是21世紀世界經濟發展中最具決定性影響的五個技術領域之一，而新能源材料與器件是發展新能源技術和實現新能源利用的關鍵。近年來國際能源發生了重大調整，全球治理體系深刻變革，中國在「十三五」規劃的主要目標中明確提出：「生態環境質量總體改善，生產方式和生活方式綠色，低碳水平提高。」實現這一目標就是要走綠色發展道路，發展新能源被提到了前所未有的國家戰略高度。

國家的發展在於人才，人才培養在於教育，教育的根本是為國家培養發展所需的人才。為適應中國大力發展新能源產業，2010年中國教育部增列「新能源材料與器件」專業為戰略新興專業，並於2011年開始招收本科生，旨在為中國新能源、新能源汽車、節能環保等產業培養具有創新意識的應用型人才。本書應新能源材料與器件課程教學所需編寫，是大學「新能源材料與器件」專業教材，兼顧大學材料、能源、冶金、化學、化工專業高年級及研究生教材；同時也是從事新能源、太陽能電池、鋰電池、燃料電池、電動汽車、規模儲能等領域研究與應用人員的必備基礎參考書。

隨著社會經濟的快速發展，對能源的需求日益增加。傳統的化石能源是不可再生的一次性能源，其儲量有限，形成週期極其漫長，已日益枯竭。新能源產業為解決全球環境問題，提供高效能源存儲方案，現已成為21世紀發展最快的行業之一。新能源的開發利用涉及物理、化學、材料、電工電子等多學科知識，新能源材料與器件是一個多學科交叉專業，這要求理論學習必須與實際應用並重才能應對當前科學技術飛速發展的新形勢。

本書的編寫參考了近年來發表在國內外重要學術刊物上的一些新能源材料及器件相關文獻。同時，考慮到學科發展的現狀，還結合近年來的教學實踐、科研項目及相關產業發展的需求對內容進行了梳理。本書在闡述基本理論的同時，還結合實例分析，啟發思路，力圖為後續課程和實際應用奠定基礎。本書各章都精選一定量的思考題，以鞏固相關知識，便於深入學習。全書共7章，包括能源概述、能源物理化學、太陽能電池材料與器件、氫能材料與器件、電化學能源材料與器件、其他新能源技術以及能源經濟。由於水平有限，書中若有疏漏、不妥之處，敬請讀者批評指正。

前言

新能源技術是21世紀世界經濟發展中最具決定性影響的五個技術領域之一，而新能源材料與器件是發展新能源技術和實現新能源利用的關鍵。近年來國際能源發生了重大調整，全球治理體系深刻變革，中國在「十三五」規劃的主要目標中明確提出：「生態環境質量總體改善，生產方式和生活方式綠色，低碳水平提高。」實現這一目標就是要走綠色發展道路，發展新能源被提到了前所未有的國家戰略高度。

國家的發展在於人才，人才培養在於教育，教育的根本是為國家培養發展所需的人才。為適應中國大力發展新能源產業，2010年中國教育部增列「新能源...

目 錄
第一章　能源概述
1.1 能
1.2 能量形式
1.3 能源發展史
1.4 常規能源
1.5 新能源
1.6 思考題
第二章　能源物理化學
2.1 能量定律
2.2 能量儲存技術
2.3 能量的轉換過程
2.4 原電池與電解池
2.5 電極過程動力學導論
2.6 思考題
第三章　太陽能電池材料與器件
3.1 光電轉換理論
3.2 太陽能電池的分類
3.3 矽太陽能電池
3.4 化合物半導體太陽能電池
3.5 有機薄膜太陽能電池
3.6 染料敏化太陽能電池
3.7 鈣鈦礦太陽能電池
3.8 太陽能光熱發電
3.9 思考題
第四章　氫能材料與器件
4.1 概述
4.2 電化學催化
4.3 氫的製取
4.4 電解水製氫
4.5 氫的儲存與提取
4.6 燃料電池
4.7 氫冶金
4.8 思考題
第五章　電化學能源材料與器件
5.1 概述
5.2 鋰離子二次電池
5.3 固態鋰電池
5.4 電化學超級電容器
5.5 金屬-空氣電池
5.6 其他儲能電池
5.7 思考題
第六章　其他新能源技術
6.1 生物質能轉化技術
6.2 風能技術
6.3 核能技術
6.4 海洋能技術
6.5 地熱能技術
6.6 頁岩油氣技術
6.7 思考題
第七章　能源經濟
7.1 導論
7.2 能源需求
7.3 能源供給
7.4 能源市場
7.5 能源效率
7.6 能源保障
7.7 思考題
參考文獻

目 錄
第一章　能源概述
1.1 能
1.2 能量形式
1.3 能源發展史
1.4 常規能源
1.5 新能源
1.6 思考題
第二章　能源物理化學
2.1 能量定律
2.2 能量儲存技術
2.3 能量的轉換過程
2.4 原電池與電解池
2.5 電極過程動力學導論
2.6 思考題
第三章　太陽能電池材料與器件
3.1 光電轉換理論
3.2 太陽能電池的分類
3.3 矽太陽能電池
3.4 化合物半導體太陽能電池
3.5 有機薄膜太陽能電池
3.6 染料敏化太陽能電池
3.7 鈣鈦礦太陽能電池
3.8 太陽能光熱發電 ...