新能源材料与器件导论试卷

新能源材料与器件导论

试卷

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新能源材料与器件导论试卷

1. 可再生能源中 生物质能、风能 、太阳能 、水能等能量来自于太阳。

2. 太阳能电池主要分为硅太阳能电池、染料敏化太阳能电池、多元化合物太阳能电池、聚合物太阳能电池四种。

3. 电池按照工作性质分类有 原电池、蓄电池 、贮备电池、燃料电池 等四种。 4. 半导体发光材料的主要制备方法有固相合成法、溶胶凝胶法、水热与溶济热法、微波反应法、沉淀法等。

5. 吸附法、熔融共混法、封装法、溶胶凝胶法、压制烧结法是定型相变材料的主要制备方法。

6. 锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、LiMPO4、镍钴锰等五种。

7.太阳能电池主要由 电池片、钢化玻璃、EVA、背板、铝合金、接线盒、硅胶等七部分构成。

8. 燃料电池的催化剂主要有 贵金属、贵金属合金、过渡金属三种。

9. 相变储能材料主要应用于 太阳能、 工业余热、液化天然气冷能蓄冷、农业温室、电力调峰，建筑节能等方面。

1. 新能源，可再生能源，新材料；新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。可再生能源包括太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等。它们在自然界可以循环再生。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。

2．电池：电池是指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，是一种以化学能的形式存储电能的装置。具有正负极之分。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。

3. 燃料电池；燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。

4. P型半导体；P型半导体，也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。

5. 集流体；集流体，顾名思义就是指汇集电流的结构或零件，在锂离子电池上主要指的是金属箔，如铜箔、铝箔。泛指也可以包括极耳。其功用主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出。

6．P-N结；发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。

7. 充电效率；电池在一定放电条件下放至某一截止电压时放出的容量与输入的电池容量的比值，它可按照以下公式计算：充电效率=（放电电流* 放电至截止电压的时间/充电电流* 充电时间）* 100%

8. 锂离子电池；锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

1. 新能源材料的分类有哪些，请分别举例？(6分)

发电材料:太阳能、热电材料、压电材料、燃料电池（储氢材料）等；核能材料：热核计划（ITER），核燃料（钍）、冷却剂、结构材料、控制材料和屏蔽材料等；储能材料:锂离子电池、液态金属电池、超级电容、锂硫电池、锂-空气电池等；节能材料:建筑节能材料、保温保湿材料、电热膜材料等。

2. 太阳能电池的原理是什么，请简要说明？(6分)

太阳电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

3. 影响镍氢电池正极材料电化学性能的主要参数有哪些？(8分)

关键参数：1. 化学组成；2. 颗粒及粒径分布；3. 表面状态；4. 微晶晶粒尺寸及缺陷。

4. 锂离子电池的主要结构及工作原理是什么？(10分)

锂离子电池的组成主要包括正极、负极、电解质、隔膜与外壳材料5个部分。锂离子电池的充放电过程就是Li+在正负电极材料之间可逆地嵌入与脱嵌的过程。在充电时正极材料中的Li+脱离正极，进入电解液，通过隔膜向负极方向迁移，在负极上捕获电子被还原，并存贮在具有层状结构的石墨中；放电时，负极中的锂会失去电子而成为Li+，进入电解液，穿过隔膜向正极方向迁移，并存贮在正极材料中。

5. 锂离子电池负极材料的要求是什么？(10分)

①锂离子在负极基体中的插入氧化还原电位尽可能低，接近金属锂的电位，使电池的输出电压高；2.在基体中大量的锂可以可逆嵌入和脱嵌以得到高的容量密度；3.在充放电过程中，电极材料主体结构稳定，确保良好的循环性；4.电极材料具有良好的导电性，可减少极化；5.电极材料具有良好的化学稳定性，与电解质生成良好的SEI膜，在SEI膜形成后不与电解质等发生反应；6.锂离子在电极材料中有较大的扩散系数，便于快速充放电；7.价格便宜，无污染。

②正极材料要求：1.金属离子Mn+在嵌入中应有较高的氧化还原电位，从而使电池的输出电压较高；2.在化合物LixMyXz中大量的锂能够发生可逆的嵌入和脱嵌，即x值尽可能大； 3.在嵌入/脱嵌过程中电极材料主体结构没有变化，确保良好的循环性能；4.电极材料具有良好的导电性，可减少极化；5.电极材料具有良好的化学稳定性，不与电解质发生反应；6.锂离子在电极材料中有较大的扩散系数，便于快速充放电；7.价格便宜，无污染。

6. 在超级电容器中，活性炭表面官能团的作用是什么？(6分)

羧基浓度越高，电极材料漏电电流越大，贮存性越差；羧基浓度越高，材料静态电位越高，氧析出反应可能性越大，电极越不稳定。活性炭电极材料经保护气氛下的中温热处理能够部分消除表面含氧官能团，降低表面官能团和羧基相对浓度，从而减少漏电电流，提高电极稳定性。

7. 相变储能材料的筛选原则是什么？(10分)

1.高储存密度。 相变材料应具有较高的单位体积，单位质量的潜热和较大的比热容。2.相变温度。熔点应满足应用要求。3.相变过程。相变过程应完全可逆并只与温度相关。4.导热性。大的导热系数，有利于储热和提热。5.稳定性。反复相变后，储热性能衰减小。6.密度。相变材料两项的密度应尽量大，这样能降低容器成本。7.压力。相变材料工作温度下对应蒸汽压力应低8.化学性能。应具有稳定的化学性能，无腐蚀，无毒无害，不可燃。9.体积变化。相变时，体积变化小。10.过冷度。小过冷度和高晶体生长率。

8. LED的心脏是什么？说明它的组成及发光原理。(8分)

LED的心脏是一个半导体的晶片，组成：LED芯片、透明环氧树脂封装、阳极杆、楔形支架、具有发射碗的阴极杆、引线架。原理：LED晶片由两部分组成，一端是P型半导体，另一端是N型半导体，连接起来形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。

9. 太阳能电池材料的一般要求是什么？(6分)

太阳能电池材料一般的要求有：半导体材料的禁带不能太宽。要有较高的光点转换效率。材料本身对环境不造成污染。材料便于工业化生产且材料性能稳定。

10. 目前解决锂离子电池负极材料粉化的两种主要方法是什么？(10分)

一是采用纳米化。纳米合金复合材料在充放电过程中绝对体积变化较小,电极结构有较高的稳定性。同时纳米材料的比面积很大,且存在大量的晶界,这有利于改善电极反应的

动力学性能;二是制备活性/非活性复合合金体系。其中活性物质与锂反应,提供电池容量,而惰性基体物质维持结构稳定,保证电池循环寿命。

计算：已知锂离子电池正极材料钴酸锂的摩尔质量为97.8，计算其的理论质量比容量。

C0=NA*e*z*m/Mw/t

式中C0为活性物质的理论容量，NA为阿弗加德罗常数，e为一个电荷所带的电量，z为反应得失电子数，m为活性物质的质量，Mw为活性物质的分子量，t为时间。1mol正极材料Li+完全脱嵌时转移的电量为96472C（由Q=NA*e计算得出；96472C/mol是法拉第常数）由单位知mAh/g指每克电极材料理论上放出的电量：1mA·h＝1×（10-3）安培×3600秒＝3.6C 对钴酸锂电池LiCoO2来说：LiCoO2的摩尔质量是97.8g/mol, 所以他的理论比容量是 96472/97.8/3.6=274 mA h/g