1、金屬在能源中的應用,黃騰逸、劉昭亨,目錄,(1)儲氫金屬(2)鋰電池(3)太陽能電池(4)鋁空氣電池(5)核能,儲氫金屬,目前一般儲存氫氣的方法是用壓縮機將氫氣充填於高壓容器，但是這種方法的缺點是能量損失大，且能儲存的氫氣密度小。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的原子，固溶在金屬中，並且會和金屬或合金反應生成金屬氫化物。 我們可以藉由壓力或溫度的控制來釋放與儲存氫氣。 金屬(合金)在吸收氫氣時會放熱，釋放氫氣時會吸熱。,儲氫合金,(1)LaNi系優點:從室溫加熱到100，會放出數Mpa的氫氣。(2)FeTi系優點:價格低廉。(頭一次與氫氣反應，需要做活性化處理) (3)M
2、g系優點: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Mpa的氫氣。,儲氫金屬的應用,取代氫氣鋼瓶 氫氣分離、回收和淨化材料 製冷或取暖設備材料 鎳氫充電電池 替代汽油,取代氫氣鋼瓶,儲存 7 (m3)之氫氣所需的重量及容積狀態 重量(Kg) 容積(L)氣態氫 鋼瓶 55氫氣 0.6液態氫 0.6 946 4.830 4.516 4.217 7.88 5.5,氫氣分離、回收和淨化材料,化學工業、石油精製以及冶金工業生產中，通常有大量的含氫廢氣排出，含氫量有些達到5060%，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
3、利用，可以產生較大的經濟效益，也比較環保。 利用儲氫合金對氫原子有特殊的親和力，而對其他氣體雜質則具有排斥的特性，即利用儲氫合金具有只選擇吸收氫和排除不純雜質的功能，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、半導體器件、電子材料和光纖等產業中。,製冷或取暖設備材料,利用先前提到的吸熱放熱放熱效應，可以利用儲氫合金的這種放熱吸熱迴圈，可進行熱的儲存和傳輸，製造製冷或取暖設備。,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，環境受到污染，因此逐漸被用儲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1.52倍，且無鎘的污染。使用儲
4、氫合金做為其電極。電池充電時，氫氧化鉀（ KOH）電解液中的氫離子（H+）會釋放出來，由這些化合物吸收，避免形成氫氣（H2），以保持電池內部壓力和體積。電池放電時，這些氫離子便會經由相反過程回到原來地方。,鋰離子電池,特點: 1.功率高 2.工作電壓高 3.適應溫度寬 4.使用範圍廣 5.放電電壓平穩 6.儲存和使用壽命長 7.生產成本低,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改變，導致合
5、金的體積膨脹和收縮導致機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非金屬材料來取代金屬鋰作負極，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 正負極均採用層狀結構的層間化合物，充放電時鋰離子在兩電極間插入和遷出,層間化合物,石墨態碳材具有層狀架構，層狀化合物就是使用石墨碳這個特性所形成的化合物下圖是負極使用苯的化學沉積碳作為負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出，而不使材料結構發生不可逆的變化，如此才能讓鋰離子在充放電過程中往返於正負極之間。 而電池的充放電反應不再是鋰金屬氧化還原反應，而是鋰離子的
6、嵌入及嵌出的機制。,鋰離子在層間化合物,當電池進行充電、放電時，鋰會以離子型態進行電化學反應：充電過程鋰離子依循由正極嵌出，經由電解液再嵌入負極（陽極）；放電過程鋰離子再遵循由負極嵌出，經由電解液以嵌入正極，形成一重覆充放電的可逆機制，其中鋰離子於兩極之間來回搖擺，故稱為搖椅式電池 充放電過程：充電時，電子由充電器外部經過負極的碳材料，而同時正極材料的鋰離子則離開正極經過電解液進入負極；放電時，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壽命可達 500 次（ 即 500 次時，電容量仍在原容量 80 以上 ）。,染料敏化太陽能電池,光觸媒(TiO2)反應的原理： 藉由紫外光或太
7、陽光的照射，使觸媒表面的電子吸收足夠能量而脫離，也就是激發而跳升至傳導帶(conduction band)，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(OH radical) 。 氫氧自由基一旦遇上有機物質，便會將電子奪回，有機物分子因鍵結的潰散而分崩離析。 一般的污染物或病源體多半是碳水化合物，分解後大部份會變成無害的水及二氧化碳，因此可以達到除污及滅菌的目標。,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。這縮寫代表銅.銦.鎵.硒.不同於矽太陽電池，他的模組有如單
8、一的p-n接面(半導體底部)，這些電池藉更複雜異性介面組合。CdTe(碲化鎘太陽能電池)為直接能隙材，故光吸收層僅需個微米的厚，即可達到好的吸收效果。然而由於原蘊藏有限，加上鎘、碲等毒性物質造成潛在的環保問題，使其尚無法普及到家計用戶，而以發電廠為主。,鋁空氣電池,鋁空氣電池的工作原理:以鋁合金為負極、空氣電極為正極、中性水溶液或鹼性水溶液為電解質構成的一種新型高能量化學電源，屬於半燃料電池，鋁空氣電池的結構如下圖所示。將一塊鋁合金浸沒在多孔電極旁邊的電解質內。多孔電極的一邊是空氣，另一邊是電解質。電解質可以是普通的鹽水，也可以是鹼性溶液，例如氫氧化鉀。,電池在鹽性環境中的反應式,鋁在陽極氧化
9、，釋放出電子氧氣在陰極還原總反應式,鹽性與鹼性環境的差異,中性電解質 由於電導率較低且鋁酸鹽不可溶(三水鋁石凝膠)，因此功率難以提高，所以其電壓低，適用於中小功率應用 。 鹼性電解質 能容一定的鋁酸鹽且電導率高，因此應用於功率需求較高的地方如作電動汽車電源,鋁空氣電池發電,將稀氯化鈉溶液注入電池，電池的兩端連接小型電動風扇。試預測正負兩極的反應。,鋁空氣電池的應用電動車,電動車電源電動車電源鋁-空氣電池由於功率需求較高，主要為鹼性動力電池組，它驅動汽車的能量效率是傳統內燃機的150%，加拿大鋁能公司研製的Altrek電動車的16個鉛蓄電池已有8個被鋁-空氣電池取代，取代後的電池重量減少了20%
10、，能量容量由12.5 kWh 增加到30 kWh，為原容量的2.5倍，電動車行程可增加3倍，4天的行程為168 km,從電池到驅動發動機的淨能量轉換效率達83%，按電池的總重量算，能量密度達到350 Wh/kg,其最新研究成果已將電池壽命延長至原先的10倍,鋁空氣電池的應用水下電源,利用海水中溶解氧的鋁空氣電池具有一個明顯的優點，就是除負極材料鋁以外的所有反應物全部來源於海水。這種電池的正極位於負極的周圍，並敞開於海水中，因此其反應產物能夠直接排入海洋。由於海水中沒有足夠的氧，所以電極面積也相應較大，為了增大反應面積，有的電池做成了電纜形狀， 如下圖所示，以鋁芯作陽極，外層為陰極，使用時放置在
11、海水中。據報導，一種直徑3 cm的電纜電池可長達數百米，每米重量1 kg，質量比能量640 Wh/kg， 可在水下使用半年之久。鋁-空氣電池已成為無人水下航行器（UUV）和自主水下航行器（AUV）的理想電源,金屬在核能中的應用,核分裂: 鈾235經中子撞擊後，分裂成為兩個較輕的原子，同時釋放出數個中子。釋放出的中子再去撞擊其它的重核原子，從而形成鏈式反應而自發裂變。核能發電廠壓水反應爐(PWR) 、沸水反應爐 (BWR)等，液態金屬式快速增殖核反應爐(LMFBR),壓水反應爐(PWR),沸水反應爐 (BWR),液態金屬式快速增殖核反應爐(LMFBR),液態金屬式快速增殖核反應爐,核燃料中包含兩
12、種成份，一種是如鈾-235、鈽-239等容易產生分裂的同位素，稱為可裂材料，另一種是如鈾-238等的，捕捉到一個中子後可以轉變為相對應的可裂材料，因此稱為可孕材料，如鈾-238可轉變為鈽-239，釷-232可轉變為鈾-233。 這種反應爐使用液態金屬作為冷卻劑，而完全不用減速劑，並且在發電的同時生產出比消耗量更多的核燃料。,液態鉛式反應爐 這種反應爐使用液態鉛來作為冷卻劑，鉛不但是隔絕輻射的絕佳材料，還能承受很高的工作溫度。還有，鉛幾乎不吸收中子，所以在冷卻過程中損失的中子較少，冷卻劑也不會變成帶放射性。與鈉不同的是，鉛是惰性元素，所以發生事故的幾率也較小，但是，應用如此大量的鉛就不得不考慮毒性問題，而且清理起來也很麻煩。這種反應爐經常用的是鉛鉍共熔合金。在這種情況下，鉍會產生一些小的放射性問題，因為它會吸收少量中子，而且也比鉛更容易變得帶放射性。 液態鈉式反應爐 大部分液態金屬式反應爐都屬於這一種。鈉很容易獲得，而且還能防止腐蝕。但是，鈉遇水即劇烈爆炸，所以使用時一定要小心。雖然這樣，處理鈉爆炸並不比處理壓水式核反應爐中超高溫輕水的泄漏麻煩到哪裡去。,Thank you for your attention！,
