【正文】 200kW的 PAFC可供現(xiàn)場使用 ， 作為醫(yī)院 、 銀行的不間斷電源使用 。 ? AFC另一重要應(yīng)用領(lǐng)域是作為潛艇動力電源 ， 德國西門子公司已開發(fā)出 100kW的 AFC在潛艇上使用 。 ?哥倫比亞號 、 挑戰(zhàn)者號等航天飛機使用石棉膜堿性燃料電池 ， 累計飛行時間超過 27000h。 氫氧燃料電池構(gòu)造示意圖 60 ? 航天用堿性燃料電池是石棉膜堿性燃料電池 。 ? 培根電池的電極材料為 Ni， 電解質(zhì)為濃度 30％ 的 KOH溶液， 氫為燃料 ， 氧為氧化劑 。 ? 燃料電池與二次電池不同的是 不在內(nèi)部儲存能量 ，利用輸入燃料與氧的氧化還原反應(yīng)輸出電能 。 55 燃料電池材料 56 ? 燃料電池是直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效且與環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的材料 。 ? 我校 與 深圳星源材質(zhì)公司 合作開展鋰離子電池隔膜研制，取得重大突破。 由于 Co資源少 (地球已探明Co儲量為 1000萬噸 ， 而 Mn量是 Co的 500倍 )， 人們開發(fā)了 LiNiO LiMn2O4材料 。 納米碳管的顯微形貌 納米碳管的顯微結(jié)構(gòu) 53 ? LIB電池的 Li離子源由正極材料提供 。 ? 納米碳管由于特殊的管狀結(jié)構(gòu) ， Li離子不僅可嵌入管內(nèi) ， 還可嵌入管壁縫隙 ， 具有嵌入深度小 、 過程短 、 嵌入位置多等優(yōu)點 ， 可提高 Li離子電池的充放電容量 。 鋰離子二次電池工作示意圖 50 ? LIB負(fù)極材料 LIB負(fù)極材料的演變過程 負(fù)極材料 金屬鋰 鋰合金 碳材料 氧化物 納米合金 容量/(mAh/g) 3400 790 372 700 2023 年代 1965 1971 1990 1995 1998 ?金屬 Li容量最高 ， 但在 LIB電池的長期充放電中 ， Li與有機電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng) ， 發(fā)生 枝晶生長 ， 并形成樹枝狀沉積物 ， 導(dǎo)致電池內(nèi)部短路 。 移動電話 Li電池 數(shù)碼相機 Li電池 筆記本 Li電池 49 ? LIB電池是一種 Li離子濃度差電池 ， 充放電中 ， Li離子在正負(fù)極之間往返嵌入和脫嵌 。 普通 Ni/MH， LIB及 Ni/Cd電池性能比較 技術(shù)參數(shù) Ni/Cd Ni/MH LIB 工作電壓 /V 質(zhì)量比能量 /(Wh/kg) 3050 5070 100150 體積比能量 /(Wh/L) 150 200 270 沖放電壽命 /次 500 500 1000 48 ? LIB電池具有工作電壓高 、 比能量高 、 容量大 、 循環(huán)特性好 、 重量輕 、 體積小等優(yōu)點 ， 而且 LIB無記憶效應(yīng) ， 不需將電放盡后再充電； LIB自放電小 ， 每月在10％ 以下 ， Ni/MH電池自放電一般為 30％ 40％ 。 ? 在電機、電池和控制系統(tǒng)方面， 車用鎳氫和鋰離子電池、車用燃料電池等 對電動汽車性能有決定性影響的零部件領(lǐng)域，我國也取得重要進展。 豐田公司生產(chǎn)的 RAV4EVI汽車，充電一次可行駛 215公里 45 ? 2023年，我國電動汽車已從研發(fā)階段進入產(chǎn)業(yè)化階段，成為全球電動汽車產(chǎn)業(yè)和市場開拓中一支不可忽視的力量。 國際上主要汽車公司如 GM、 Ford和 Toyota等相繼開發(fā)出 Ni/MH電動汽車和混合電動汽車 ， ? GM公司生產(chǎn)的 Ni/MH電池動力車 ， 單次充電后可行駛 225km， 時速為 150公里 。 ? 研究表明 ， 采用高吸水和高親水能力的聚合物凝膠作為電解質(zhì) ， 電池的電化學(xué)性能與普通 KOH電解質(zhì)電池相近 。 ?KOH水溶液具有強腐蝕性 ， 液體電解質(zhì)給電池加制作帶來不便 。 Ni/MH二次電池 40 ? Ni/MH電池在充放電中產(chǎn)生如下電極反應(yīng) ， 工作原理如圖所示： ? 正極： ? 負(fù)極： ? 電池反應(yīng)： 2 OHi ( O H )N ? 放 充 eOHNi O O H2 ??eOHM 2 ?? ??OHMH放 充 放 充 M(O H )Ni 2? MHN iO O H?Ni/MH電池工作原理 41 ? Ni/MH電池的正極材料是 Ni(OH)2， 電池負(fù)極材料主要是儲氫合金 ， 其種類如表所示 。 鉛酸蓄電池 NiCd充電電池 39 Ni/MH鎳氫二次電池 ? Ni/MH電池的正極材料采用 Ni(OH)2，負(fù)極材料為儲氫合金，電解質(zhì)為 KOH水溶液。 鎳氫充電電池 Li離子充電電池 38 ? 傳統(tǒng)二次電池如鉛酸電池和鎘鎳電池理論比能量低，且鉛和鎘都是有毒金屬，對環(huán)境污染極大。 儲氫合金在鎳氫電池上的應(yīng)用 36 新型二次電池材料 37 ? 一次電池使用后常隨普通垃圾一起被丟棄或掩埋 ，造成資源浪費 ， 同時電池中的重金屬元素泄露也會污染地下水和土壤 。 ? 德國用 LaNi5/ 25℃ 低溫； ? 日本用 MmNiMnAl/MmNiMnCo制備制冷系統(tǒng) ， 連續(xù)獲得 20℃ 低溫 ， 制冷功率為 9001000W。 氫同位素的應(yīng)用 34 ? 金屬氫化物也是理想的能量轉(zhuǎn)換材料 。 氫氣純化裝置 氫氣純化工廠 33 ? 某些儲氫合金的氫化物同氘 、氚化物相比 ， 同一溫度下吸釋氘氚的熱力學(xué)和動力學(xué)特性有較大差別 ， 可用于 氫同位素的分離 。 混合氣體流過儲氫合金分離床 ， 氫被吸收形成金屬氫化物 ， 雜質(zhì)排出；加熱金屬氫化物 ， 得到回收氫氣 。 ? 金屬氫化物儲氫密度高 ， 采用 Mg2Ni制成的儲氫容器與高壓 (20MPa)鋼瓶和深冷液化儲氫裝置相比 ， ?在儲氫量相等的情況下 ， 三者質(zhì)量比為 1： ：， 體積比為 1： 4： ； ?儲氫合金儲氫無需高壓或低溫設(shè)施 ， 節(jié)省能源； ?氫以金屬氫化物形式存在儲氫合金中 ， 安全可靠， 便于氫的運輸和傳遞 。 ? 利用過渡元素 (M)置換 Mg2Ni中的部分 Ni， 形成Mg2Ni1xMx合金 (M＝ V、 Cr、 Mn、 Fe、 Zn等 )，也可改善吸 /釋氫的速度，具有實用價值。 29 鎂系儲氫合金 ? 在 300400℃ 和較高氫壓下， Mg2Ni與氫生成Mg2NiH4，含氫量為 ％，理論儲氫量可達6%，但其穩(wěn)定性強，釋氫困難。 ? 為改善 TiFe合金儲氫特性 ， 可用過渡元素 (M)置換部分鐵形成 TiFe1yMy(M=Cr、 Mn、 Mo、 Co、 Ni等 )。 價格較低 ， 具有很大實用價值 。 ? 用 富 Ce混合稀土 (Mm)代替 La可研制廉價的 MmNi5儲氫合金 ， 在 MmNi5基礎(chǔ)上開發(fā)多元合金 ， 如 MmNi1yBy(B=Al、 Cu、 Fe、 Mn、 Ga、 Sn、 Cr等 )系列 ， 不僅保持 LaNi5的優(yōu)良特性 ， 而且在儲氫量和動力學(xué)特性方面優(yōu)于 LaNi5， 價格僅為純 La的 1/5。 ? LaNi5在室溫下可與一定壓力的氫氣反應(yīng)形成氫化物， 如下式所示： ? LaNi5具有優(yōu)良的儲氫性能 ， 塊狀 LaNi5合金儲氫量約 ％ (質(zhì)量分?jǐn)?shù) )， 分解壓適中平坦 ， 活化容易 ，具有良好的動力學(xué)特性和抗雜質(zhì)氣體中毒性 。 儲氫合金已成為各國都積極研發(fā)的一種很有前途的儲氫方法 。 四川大學(xué)材料學(xué)院儲氫材料課題組首創(chuàng)低成本 VTiCrFe四元合金體系： 在溫和條件下可快速吸氫飽和 :40℃ ， 6min 24 ? 儲氫合金材料主要有： 稀土系列 、 鎂鎳系列 、 鈦合金系列等 。 氫原子在合金化合物中的占位： (a)四面體； (b)八面體 H y d r o g e n on Te tra he dr a l S it e sH y d r o g e n on Oc tah e dr a l S it e sa b 22 ? 儲氫合金 可儲存比其體積大 10001300倍的氫 ， 而且合金中存儲的氫表現(xiàn)為 H與 H+之間的中間特性 ， 結(jié)合力較弱 ， 當(dāng)金屬氫化物受熱時又可釋放氫氣 。 其中 R=H、 CH4 H2， 供用戶使用 H2， 制氫工廠 儲存 、 運輸 儲存 、 運輸 催化脫氫 催化加氫 RHC 56 RHC 116 RHC 116 RHC 5621 合金化合物儲氫 ? 在一定溫度和氫氣壓力下能多次吸收 、 儲存和釋放氫氣的合金被稱為 儲氫合金 。 儲氫載體苯和甲苯可循環(huán)使用，