新型能源材料

新型能源的發展要靠利用新的能量轉換方式和原理來發展新的能源系統，同時還必須依靠新材料才能使新的系統得以實現。例如，新型核反應堆發電系統的安全運行要靠使用特別耐輻照和耐腐蝕的新型結構材料才能得到保證；只有利用能夠產生光伏效應的半導體材料才能發展太陽電池，使太陽能有效地直接轉變為電能；只有利用電催化劑、儲氫合金等儲能電極材料才能發展各種高比能電池，通過電化學反應將物質的化學能直接變換為電能。同時，材料的組成、結構、性質、製作與加工工藝還決定着新型能源的效率、投資與運行成本，從而是決定該種新型能源能否得到大規模應用的關鍵。

新型能源和新型能源材料的種類很多。從能源技術的發展來看，核能、太陽能、氫能、高比能電池是有希望在21世紀得到廣泛應用的新型能源。發展中的高比能電池主要是燃料電池和兩種新型二次電池（包括Ni/MH電池和鋰離子電池）。

其中，燃料電池和Ni/MH二次電池也是氫能利用的主要發展方向。因此，新型能源材料主要包括：核能材料、太陽電池材料、燃料電池材料、新型二次電池材料。核能材料　主要包括核燃料、核反應堆及輔助系統用結構材料等。核反應堆可分為裂變反應堆和聚變反應堆兩大類。目前裂變堆已大量應用，對其材料的研究除了優化商品堆的性能外，主要為了滿足新型反應堆（如高温氣冷堆、快中子增殖堆）的要求。聚變堆迄今仍處於科學試驗階段，聚變堆材料是其主要技術難點之一。

①裂變堆材料。裂變反應堆的核燃料由鈾和鈈的合金或陶瓷組成，作為燃料元件的芯體，通常作成圓柱狀、板狀或顆粒狀。反應堆堆芯結構材料主要有燃料元件包殼材料、慢化劑與冷卻劑材料、控制材料、發射與屏蔽材料以及反應堆容器材料等。由於堆芯材料處於很強的輻射環境，這些材料除了滿足特殊的核性能要求外，還要特別考慮材料本身的抗輻照性能。燃料元件的包殼材料是堆芯結構材料當前研究發展的重點。包殼材料的功能是在裂變堆中將核燃料與冷卻劑分開，防止系統受到強放射性裂變產物的污染。熱中子堆燃料元件的包殼材料必須選用熱中子截面很低的材料，如鋁合金、鋯合金和鎂合金。對於快中子增殖堆，由於裂變密度高並採用液體金屬鈉作為冷卻劑，對包殼材料的抗輻照和抗腐蝕性能要求更為苛刻，目前研究發展的材料有不鏽鋼、鎳基合金、氧化物彌散合金等。

②聚變堆材料。目前託卡馬克型磁約束聚變裝置用的材料主要包括核燃料（主要是氘和氚）、氚增殖材料、中子倍增材料、第一壁材料、電絕緣與超導磁體材料、輻射屏蔽材料以及冷卻劑材料等。作為包容等離子區和真空區部件的第一壁材料是聚變堆中技術要求最苛刻的材料。它要經受14兆電子伏中子及其他高能帶電粒子的轟擊，其輻照效應比裂變堆材料所經受的輻照效應更為嚴重。由於第一壁與等離子體之間會發生強烈的相互作用，引起材料的嚴重剝蝕，所以第一壁的結構是由兩種材料組成的，包括等離子體面向材料和結構材料。前者的研究對象有鈹、鎢、鎢合金及複合材料，後者有不鏽鋼、釩合金及複合材料等。

主要包括產生光伏效應的半導體材料、薄膜用襯底材料、減反射膜材料、電極與導線材料、電池組件封裝材料等。用於製作太陽電池的半導體材料主要有晶體硅（單晶硅、多晶硅）、非晶硅等元素半導體材料和CaAs、CdS、CdTe、CuInSe2等化合物半導體材料。從材料的使用形態與結構看，有晶片、薄膜、外延片、異質結結構和正在研究發展的量子阱結構等。太陽電池材料特別是半導體材料的選擇、製備工藝與質量直接影響着太陽電池的轉換效率、材料消耗和電池成本。

單晶硅電池的轉換效率已達23.7%。在太陽電池中，以晶體硅電池的數量最多。但隨着薄膜材料製備技術的應用，高效、廉價的薄膜電池正在得到迅速發展。目前使用的CaAs、CdTe及非晶硅薄膜的厚度僅為1～2微米，多晶硅膜的厚度為50微米，均比晶體硅電池的材料用量（厚度為200～300微米）有明顯降低。此外，通過使用薄膜襯底剝離技術，還可以使襯底材料（如硅片、不鏽鋼、玻璃等）得以多次利用，進一步降低材料消耗。

主要包括：燃料（純氫或富含氫的氣體等）、氧化劑（純氧、淨化空氣等）、電催化劑、電極材料、電解質、隔膜材料、集流板材料、電池組密封材料等。按所使用的電解質分類，燃料電池有鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及固體氧化物燃料電池等多種類型。其中質子交換膜燃料電池是當前發展的重點，最有希望實現商業化。質子交換膜燃料電池使用全氟磺酸型固體聚合物材料的質子交換膜為電解質兼隔膜。

電池的電極（氫電極和氧電極）是一種由擴散層和催化層組成的多孔氣體擴散電極，通常與質子交換膜一起壓合為氫電極–膜–氧電極形式的膜電極三合一組件使用。電極的擴散層一般由炭紙或炭布製作，催化層則由貴金屬電催化劑（Pt/C或Pt–Ru/C等）與質子導體聚合物（如全氟磺酸樹脂）等組成。電池的集流板（雙極板）材料目前多采用導電性和耐腐蝕性能良好的特製無孔石墨板，但其製備工藝複雜，造價高（約佔整個電池組造價的60%～70%）。為提高電池的比功率和降低電池成本，目前對質子交換膜燃料電池材料的研究重點有：

①採用表面改性的金屬薄板（如厚度為0.1～0.3毫米的不鏽鋼板、鋁合金板、鈦板）替代無孔石墨板（厚度為3毫米）作為雙極板；

②研製廉價的新型質子交換膜；

③尋求替代貴金屬鉑的電催化劑。

主要包括電池的正極材料、負極材料、電解質、聚合物隔膜、電極集流體材料、各種添加劑材料、電池殼體及密封件材料等。①金屬氫化物鎳電池材料。Ni/MH電池是一種利用儲氫合金的電化學吸、放氫功能而實現充放電的新型二次電池。目前商品電池使用的正極材料是摻有適量Co、Zn等元素的球形Ni(OH)2，負極材料為AB5型混合稀土系多元儲氫合金（典型成分為MmNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3），電解質為6MKOH水溶液。為了進一步提高Ni/MH電池的能量密度，目前還在研究開發具有更高放電容量的新型儲氫合金，如AB2型鋯（鈦）基合金、釩基固溶體型合金等。②鋰離子電池材料。鋰離子電池是一種利用鋰離子在正、負極材料中的嵌入和脱嵌而實現充放電的新型二次電池。因其能量密度比Ni/MH電池更高，發展尤為迅速。目前商品電池使用的正極材料是LiCoO2，負極材料是碳材料（如硬碳、天然石墨等），電解質為有機溶劑與鋰鹽組成的有機溶液。為了降低成本和提高電池的性能，目前研究開發的正極材料有LiMn2O4、LiNiO2、LiNi1－xCoxO2等，負極材料則有納米級的Sn及SnSb等合金。

雷永泉.新能源材料.天津:天津大學出版社,2000.　

衣寶廉.燃料電池高效、環境友好的發電方式.北京:化學工業出版社,2000. ^[1]