金屬在能源中的應(yīng)用

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1、金屬在能源中的應(yīng)用黃騰逸、劉昭亨目錄(1)儲(chǔ)氫金屬(2)鋰電池(3)太陽能電池(4)鋁空氣電池(5)核能儲(chǔ)氫金屬目前一般儲(chǔ)存氫氣的方法是用壓縮機(jī)將氫氣充填於高壓容器，但是這種方法的缺點(diǎn)是能量損失大，且能儲(chǔ)存的氫氣密度小。在一定壓力與溫度下，氫氣可以在金屬或合金中先分解成單個(gè)的原子，固溶在金屬中，並且會(huì)和金屬或合金反應(yīng)生成金屬氫化物。我們可以藉由壓力或溫度的控制來釋放與儲(chǔ)存氫氣。金屬(合金)在吸收氫氣時(shí)會(huì)放熱，釋放氫氣時(shí)會(huì)吸熱。儲(chǔ)氫合金(1)LaNi系優(yōu)點(diǎn):從室溫加熱到100℃，會(huì)放出數(shù)Mpa的氫氣。(2)FeTi系優(yōu)點(diǎn):價(jià)格低廉。(頭一次與氫氣反應(yīng)，需要做活性化處理

2、)(3)Mg系優(yōu)點(diǎn):氫氣吸收量大，且重量輕。(也要做活性化處理)但是其室溫的平衡氫氣壓低，需要300℃以上的高溫，才能放出數(shù)Mpa的氫氣。儲(chǔ)氫金屬的應(yīng)用取代氫氣鋼瓶氫氣分離、回收和淨(jìng)化材料製冷或取暖設(shè)備材料鎳氫充電電池替代汽油取代氫氣鋼瓶儲(chǔ)存7(m^3)之氫氣所需的重量及容積狀態(tài)重量(Kg)容積(L)氣態(tài)氫鋼瓶55氫氣0.6液態(tài)氫0.69464.8304.5164.2177.885.5氫氣分離、回收和淨(jìng)化材料化學(xué)工業(yè)、石油精製以及冶金工業(yè)生產(chǎn)中，通常有大量的含氫廢氣排出，含氫量有些達(dá)到50～60%，而目前多是採用排放空中或者燃燒處理。因此，可對這部分加以回收利用，可

3、以產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，也比較環(huán)保。利用儲(chǔ)氫合金對氫原子有特殊的親和力，而對其他氣體雜質(zhì)則具有排斥的特性，即利用儲(chǔ)氫合金具有只選擇吸收氫和排除不純雜質(zhì)的功能，不但可以回收廢氣中的氫，可得到純度極高的氫氣。可用於積體電路、半導(dǎo)體器件、電子材料和光纖等產(chǎn)業(yè)中。製冷或取暖設(shè)備材料利用先前提到的吸熱放熱放熱效應(yīng)，可以利用儲(chǔ)氫合金的這種放熱—吸熱迴圈，可進(jìn)行熱的儲(chǔ)存和傳輸，製造製冷或取暖設(shè)備。鎳氫充電電池由於目前大量使用的鎳鎘電池中的鎘有毒，使廢電池處理複雜，環(huán)境受到污染，因此逐漸被用儲(chǔ)氫合金做成的鎳氫充電電池所替代。鎳氫充電電池電量比相同大小的鎳鎘電池高約1.5～2倍，且無鎘

4、的污染。使用儲(chǔ)氫合金做為其電極。電池充電時(shí)，氫氧化鉀（KOH）電解液中的氫離子（H+）會(huì)釋放出來，由這些化合物吸收，避免形成氫氣（H2），以保持電池內(nèi)部壓力和體積。電池放電時(shí)，這些氫離子便會(huì)經(jīng)由相反過程回到原來地方。鋰離子電池特點(diǎn):1.功率高2.工作電壓高3.適應(yīng)溫度寬4.使用範(fàn)圍廣5.放電電壓平穩(wěn)6.儲(chǔ)存和使用壽命長7.生產(chǎn)成本低鋰二次電池一次鋰電池:只能使用一次，以金屬鋰作為負(fù)極反覆充放電過程中，由於鋰電極表面的鋰離子不均勻沉積，而容易產(chǎn)生鋰枝晶，易造成斷路而影響電池壽命。二次鋰電池:可充放電重複使用使用鋰鋁合金取代電極解決了鋰枝晶的問題，但是由於鋰在合金中量的

5、改變，導(dǎo)致合金的體積膨脹和收縮導(dǎo)致機(jī)械性能降低最後破碎二次鋰離子電池二次鋰離子電池:使用可容納和釋放大量鋰離子的無機(jī)非金屬材料來取代金屬鋰作負(fù)極，此電池選擇其他材料可以改善鋰枝晶的問題又可以讓電壓和能量損失較少正負(fù)極均採用層狀結(jié)構(gòu)的層間化合物，充放電時(shí)鋰離子在兩電極間插入和遷出層間化合物石墨態(tài)碳材具有層狀架構(gòu)，層狀化合物就是使用石墨碳這個(gè)特性所形成的化合物下圖是負(fù)極使用苯的化學(xué)沉積碳作為負(fù)極的層間化合物而鋰離子電池所使用的層間化合物必須要能夠容許鋰離子的進(jìn)出，而不使材料結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的變化，如此才能讓鋰離子在充放電過程中往返於正負(fù)極之間。而電池的充放電反應(yīng)不再是鋰金

6、屬氧化還原反應(yīng)，而是鋰離子的嵌入及嵌出的機(jī)制。鋰離子在層間化合物當(dāng)電池進(jìn)行充電、放電時(shí)，鋰會(huì)以離子型態(tài)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)：充電過程鋰離子依循由正極嵌出，經(jīng)由電解液再嵌入負(fù)極（陽極）；放電過程鋰離子再遵循由負(fù)極嵌出，經(jīng)由電解液以嵌入正極，形成一重覆充放電的可逆機(jī)制，其中鋰離子於兩極之間來回?fù)u擺，故稱為搖椅式電池充放電過程：充電時(shí)，電子由充電器外部經(jīng)過負(fù)極的碳材料，而同時(shí)正極材料的鋰離子則離開正極經(jīng)過電解液進(jìn)入負(fù)極；放電時(shí)，電子和鋰離子則反向而行。正常使用下，鋰離子電池的充放電循環(huán)壽命可達(dá)500次（即500次時(shí)，電容量仍在原容量80％以上）。染料敏化太陽能電池光觸媒(TiO

7、2)反應(yīng)的原理：藉由紫外光或太陽光的照射，使觸媒表面的電子吸收足夠能量而脫離，也就是激發(fā)而跳升至傳導(dǎo)帶(conductionband)，而在電子脫離的位置便形成帶正電的電洞，而形成一組電子電洞對(e—-h+)，電洞會(huì)將附近水分子游離出的氫氧基(OH-)氧化，使其成為活性極大的氫氧自由基(OHradical)。氫氧自由基一旦遇上有機(jī)物質(zhì)，便會(huì)將電子奪回，有機(jī)物分子因鍵結(jié)的潰散而分崩離析。一般的污染物或病源體多半是碳水化合物，分解後大部份會(huì)變成無害的水及二氧化碳，因此可以達(dá)到除污及滅菌的目標(biāo)。薄膜太陽能電池CIGS(銅銦鎵硒太陽電池)是多層薄膜組合而成的。這縮寫代表