第1章概論1

1.1新能源及其利用技術1

1.2新材料及其應用3

1.3新能源材料及其發展方向4

1.4新能源材料的關鍵技術5

思考題6



第2章生物質能源材料7

2.1概述7

2.1.1生物質7

2.1.2生物質能7

2.1.3生物質的組成8

2.2生物質資源的分布9

2.2.1林業生物質資源9

2.2.2農業生物質資源9

2.2.3廢棄物生物質資源10

2.3生物質轉化利用技術11

2.3.1生物質直接燃燒技術12

2.3.2生物質熱解技術13

2.3.3生物質液化技術14

2.3.4生物質氣化技術15

2.4生物質沼氣技術17

2.4.1生物質沼氣的成分與性質17

2.4.2沼氣發酵的特點18

2.4.3沼氣的功能和效用18

2.5生物乙醇的生產技術19

2.5.1生物乙醇的特點19

2.5.2生物乙醇生產的原料19

2.5.3生物乙醇的生產20

2.6生物柴油的生產技術20

2.6.1生物柴油的生產21

2.6.2酯交換法制備生物柴油21

2.6.3生物柴油的性能22

2.6.4生物質綠色柴油的生產與性能23

2.7生物質生產液體燃料的技術25

2.7.1費托合成技術25

2.7.2費托合成催化劑26

2.7.3費托制取液體燃料發展趨勢27

思考題28



第3章儲氫材料29

3.1概述29

3.2氫的制取29

3.2.1電解水制氫30

3.2.2天然氣制氫31

3.2.3煤制氫32

3.2.4生物質制氫33

3.2.5太陽能制氫35

3.2.6核能制氫36

3.2.7等離子化學法制氫37

3.2.8液體原料醇類制氫38

3.3氫的儲存38

3.4金屬及其氧化物繫列儲氫材料39

3.4.1物理吸附儲氫材料39

3.4.2化學儲氫材料41

3.5氫能安全44

3.5.1燃料電池汽車的安全45

3.5.2加氫站的安全46

3.6儲氫材料的發展趨勢46

思考題47



第4章太陽能電池48

4.1太陽能電池的概念和結構48

4.2太陽能電池的工作原理50

4.2.1硅半導體的結構50

4.2.2本征半導體51

4.2.3P型半導體和N型半導體52

4.2.4PN結54

4.2.5光伏發電工作原理55

4.3太陽能電池的類型56

4.3.1單晶硅太陽能電池56

4.3.2多晶硅太陽能電池57

4.3.3非晶硅太陽能電池58

4.3.4碲化鎘太陽能電池60

4.3.5砷化鎵太陽能電池61

4.3.6銅銦鎵硒太陽能電池62

4.3.7染料敏化太陽能電池64

4.3.8有機太陽能電池65

4.4太陽能電池生產過程中的污染問題66

4.4.1晶體硅太陽能電池生產過程中的污染問題66

4.4.2非晶硅太陽能電池生產過程中的污染問題67

4.4.3CdTe太陽能電池生產過程中的污染問題68

4.4.4GaAs太陽能電池生產過程中的污染問題69

4.4.5CIGS太陽能電池生產過程中的污染問題70

4.4.6DSSC太陽能電池生產過程中的污染問題71

思考題72



第5章燃料電池73

5.1概述73

5.1.1燃料電池工作原理74

5.1.2燃料電池的特點74

5.2燃料電池的類型75

5.3堿性燃料電池（AFC）77

5.3.1AFC的工作機理77

5.3.2AFC的特點78

5.3.3AFC催化劑79

5.3.4AFC電極82

5.3.5AFC性能影響因素82

5.4質子交換膜燃料電池（PEMFC）83

5.4.1PEMFC的工作機理和特點83

5.4.2PEMFC的用途85

5.4.3PEMFC的催化劑86

5.4.4PEMFC雙極板92

5.4.5PEMFC的應用前景99

5.5磷酸鹽燃料電池（PAFC）99

5.5.1PAFC的工作機理和特點100

5.5.2PAFC電極100

5.5.3PAFC雙極板102

5.6熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）102

5.6.1MCFC的工作機理102

5.6.2MCFC電極材料103

5.6.3MCFC的特點105

5.6.4MCFC的發電繫統106

5.6.5MCFC需解決的關鍵技術問題110

5.7固體氧化物燃料電池（SOFC）112

5.7.1SOFC的工作機理和特點112

5.7.2SOFC關鍵材料113

5.7.3SOFC存在的問題118

思考題119



第6章超級電容器120

6.1概述120

6.1.1超級電容器的基本介紹120

6.1.2超級電容器的發展歷史121

6.1.3超級電容器的一般結構122

6.1.4超級電容器的應用122

6.1.5超級電容器使用注意事項123

6.2超級電容器的工作原理123

6.2.1雙電層電容器124

6.2.2法拉第贗電容器125

6.2.3非對稱超級電容器126

6.2.4超級電容器的特點126

6.3超級電容器電極材料127

6.3.1電極材料選擇原則和分類127

6.3.2碳材料127

6.3.3金屬氧化物材料131

6.3.4導電聚合物材料134

6.3.5復合電極材料135

6.4超級電容器電解液138

6.4.1水繫電解液139

6.4.2有機電解液140

6.4.3固態電解液140

思考題141



第7章鋰離子電池材料142

7.1概述142

7.2鋰離子電池的結構及工作原理144

7.3鋰離子電池正極材料145

7.3.1正極材料的選擇要求145

7.3.2層狀結構正極材料146

7.3.3尖晶石結構正極材料148

7.3.4橄欖石結構正極材料149

7.4鋰離子電池負極材料150

7.4.1負極材料的選擇要求150

7.4.2碳類負極材料150

7.4.3硅基負極材料153

7.4.4金屬類負極材料153

7.4.5硫化物負極材料154

7.5鋰離子電池電解質154

7.5.1電池電解質的選擇要求154

7.5.2有機液體電解質155

7.5.3聚合物電解質158

7.5.4離子液體電解質159

7.6鋰離子電池隔膜材料160

7.6.1電池隔膜材料的選擇要求160

7.6.2微孔聚烯烴隔膜160

7.6.3無紡布隔膜162

7.6.4塗層復合隔膜163

思考題163



第8章鈉離子電池材料165

8.1概述166

8.2鈉離子電池正極材料167

8.2.1過渡金屬氧化物材料168

8.2.2聚陰離子材料172

8.2.3過渡金屬氟磷酸鈉鹽174

8.2.4普魯士藍類大框架化合物175

8.2.5有機化合物和聚合物176

8.2.6非晶化合物177

8.3鈉離子電池負極材料177

8.3.1碳基負極材料177

8.3.2合金類儲鈉負極材料180

8.3.3金屬氧化物儲鈉負極材料181

8.3.4非金屬單質儲鈉負極材料183

8.3.5有機儲鈉負極材料184

8.3.6鈦酸鹽儲鈉負極材料185

思考題186



參考文獻187

新能源和可再生清潔能源技術是21世紀世界經濟發展中有決定性影響的五個技術領域之一，新能源包括太陽能、生物質能、風能、地熱能、海洋能等一次能源以及二次能源中的氫能等。

能源材料是材料學科的一個重要研究方向，有的學者將能源材料劃分為新能源技術材料、能量轉換與儲能材料和節能材料等。

綜合國內外的一些觀點，新能源材料是指實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術中所要用到的關鍵材料，是發展新能源技術的核心和新能源應用的基礎。從材料學的本質和能源發展的觀點看，能儲存和有效利用現有傳統能源的新型材料也可以歸為新能源材料。新能源材料包括鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池、發展生物質能所需的重點材料、新型相變儲能材料和節能材料等。

目前各國對新能源和可再生能源的稱謂有所不同，但是共同的認識是，除常規的化石能源和核能之外，其他能源都可稱為新能源或可再生能源，主要有太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能、氫能和水能等。由不可再生能源逐漸向新能源和可再生能源過渡，是當代能源利用的一個重要特點。在能源、氣候、環境面臨嚴重挑戰的今天，大力發展新能源和可再生能源，發展綠色生態體繫，築生態文明之基，走綠色發展之路，符合國際發展的趨勢，對貫切落實新時代中國特色社會主義生態文明建設意義重大。

本書介紹的新能源材料包括生物質能源材料、儲氫材料、以硅半導體材料為代表的太陽能電池、燃料電池、超級電容器、嵌鋰碳負極和以LiCoO2正極為代表的鋰離子電池材料，以及鈉離子電池所需的關鍵材料等。

本書在內容選擇上，注重基本概念、反應機理和材料性能的介紹。本書適合作為新能源材料與器件專業本科教材，也可作為相近專業本科生和研究生的教材與參考書，還可供能源相關專業人員參考。

感謝貴州理工學院混合教學模式課程建設項目“新能源材料導論”對本書出版提供的資金支持。

由於編者水平有限，書中難免存在不足，希望讀者批評指正。



編者