金屬在能源中的應用

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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

2、)(3)Mg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(m^3)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0.69464.8304.5164.2177.885.5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1.5～2倍，且無鎘

4、的污染。使用儲氫合金做為其電極。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

5、改變，導致合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

6、屬氧化還原反應，而是鋰離子的嵌入及嵌出的機制。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(TiO

7、2)反應的原理：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，也就是激發而跳升至傳導帶(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