閱讀資料　能源的合理利用

煤、石油、天然氣，是埋在地下的動植物經過漫長的地質年代形成的，所以稱為化石能源。化石能源的有效清潔利用，對社會的可持續發展無疑起著重要的作用。隨著化石能源逐漸消耗殆盡，化學應該在新能源的合理開發利用上發揮作用。

（一）煤炭與潔凈煤技術

據估計，全世界煤炭資源約為1013t標準煤（標準煤的熱值為29.3MJ·kg-1），可供開采利用的約占10％。不同種類的煤炭，燃燒時放出的熱量不同。單位質量燃料完全燃燒所放出的熱量稱為燃料的熱值，表1-1列出一些煤炭的元素組成和熱值。優質煤的熱值在30MJ·kg-1以上。

潔凈煤技術主要包括煤炭的加工、轉化、燃燒和污染控制等。

水煤氣　將水蒸氣通過裝有灼熱焦炭的氣化爐內可產生水煤氣：

這是一個強吸熱反應，需避免焦炭被冷卻下來。水煤氣的組成（體積分數）約為含CO 40％、H25％，其余為N2和CO2等，屬低熱值煤氣；由于含CO多，毒性較大，一般不宜作城市燃料用。若將煤氣中的CO和H2進行催化甲烷化反應：

可得到相當于天然氣的高熱值煤氣，稱為合成天然氣。

合成氣　將純氧氣和水蒸氣在加壓下通過灼熱的煤，生成一種氣態燃料混合物，其體積分數約為40％ H2、15％ CO、15％ CH4和30％ CO2，稱為合成氣。

用上述合成氣為原料，選用不同催化劑和合適條件可間接生產合成汽油（反應①）或甲醇（反應②）等液體燃料，稱為煤的液化燃料：

①

②

由質量分數約為70％的煤粉、30％的水及少量添加劑混合而成的燃料，稱為水煤漿燃料。其具有燃燒效率高、燃燒溫度較低和生成NOx少等特點，與燃煤粉相比所排放的NOx和CO要少1/6～1/2。我國的水煤漿生產使用技術已跨入世界先進行列。

（二）石油和天然氣

石油是主要由鏈烷烴、環烷烴和芳香烴組成的復雜混合物，還含有少量含氧、氮、硫的有機化合物，平均含碳（質量分數）84％～85％、氫12％～14％。石油經過分餾和裂化等加工后，可得到石油氣、汽油、煤油、柴油、潤滑油等一系列產品。

石油產品中最重要的燃料之一是汽油。汽油中最有代表性的組分是辛烷。辛烷完全燃燒的熱化學方程式為：

折合成辛烷的熱值為47.7MJ·kg-1。

直餾汽油的辛烷值在55～72之間。在每升汽油中加0.6g“鉛”可將辛烷值提高到79～88。加入汽油中的鉛主要含有約60％（質量分數）的四乙基鉛Pb（C2H5）4（或四甲基鉛）和約40％的二溴乙烷（或二氯乙烷）的混合物。四乙基鉛能阻止提前點火，防止不穩定燃燒（高效抗爆劑）；二溴乙烷則能幫助除去汽缸中的鉛，使之轉換成易揮發的鉛鹵化物，隨廢氣排入大氣。城市大氣中的鉛，主要來自汽車尾氣。我國自2000年7月1日起禁止使用含鉛汽油，改用無鉛汽油，并在汽車上裝置尾氣轉化器以凈化城市空氣。

天然氣是一種蘊藏在地層內的可燃性氣體，主要組分為甲烷。甲烷完全燃燒的熱化學方程式為

折合成CH4的熱值為55.6MJ·kg-1。

沼氣是由植物殘體在隔絕空氣的情況下自然分解而成的氣體，因常從沼澤底部發生而得名。沼氣約含60％（體積分數）的CH4，其余為CO2和少量的CO、H2、H2S等，其熱值達21MJ·m-3（比一般城市煤氣還高）。沼氣是一種簡便、廉價、高效的清潔能源，發酵的殘余物還可做肥料、飼料等而得以綜合利用，具有促進生態良性循環的重要意義。

煤氣和液化石油氣是現代城市居民最重要的兩大民用燃料。共同特點是使用方便、清潔無塵。但兩者的成分和來源不同，使用方法也不一樣。

煤的合成氣及煉焦氣是城市煤氣的主要來源。其主要可燃成分為H2（50％）、CO（15％）和CH4（15％）。我國規定煤氣熱值不低于15.9MJ·m-3。煤氣在出廠檢驗時，可通過增加CH4或H2來調節其熱值。降低CO的含量是城市煤氣發展的方向。

液化石油氣來源于石油，一種是采油時的氣體產品叫油田氣，另一種是煉油廠的氣體產品叫煉廠氣。其主要成分是丙烷和丁烷，經加壓液化裝入鋼瓶。與煤氣相比，液化氣有兩大優點：一是無毒，基本不產生SO2等有害氣體和黑煙；二是熱值大，比同體積煤氣高好幾倍。一些工廠利用液化石油氣在純氧中燃燒時產生的高溫來切割鋼材；一些城市使用液化石油氣作為汽車的動力，屬綠色交通。

（三）氫能和太陽能

氫能有以下特點：①熱值高。熱值為142.9MJ·kg-1，約為汽油的3倍，煤炭的6倍。②點火容易，燃燒速率快。③如果能以水為原料制備，則原料充分。④燃燒產物是水，產物本身是潔凈的。開發利用氫能需要解決三個關鍵問題：廉價易行的制氫工藝；方便、安全地儲運；有效地利用。它們與化學關系密切，都是當前研究的熱點問題。

（1）氫氣的制取　可以從水煤氣中取得氫氣，但這仍需用煤炭為原料，不夠理想。電解法制氫，關鍵在于取得廉價的電能，就當前的電能而論，經濟上仍不合算。利用高溫下循環使用無機鹽的熱化學法分解水制氫效率比較高，是個活躍的研究領域，其安全性、經濟性仍在研究與探索中。目前認為最有前途的是太陽能光解水制氫法，關鍵在于尋找和研制合適的催化劑，以提高光解制氫的效率。

（2）氫氣的儲存　儲氫方式有化學儲氫和物理儲氫兩類。氫氣密度小，在15MPa壓力下，40dm3的常用鋼瓶只能裝0.5kg氫氣。若將氫氣液化，需耗費很大能量，安全要求也很高（氫氣有滲漏和爆炸的危險）。當前研究和開發十分活躍的是固態合金儲氫方法，儲氫材料應滿足：高存儲能力，放氫速率快，安全性高，能耗小，循環使用壽命長等。

例如，鑭鎳合金LaNi5能吸收氫氣形成金屬型氫化物LaNi5H6：

加熱金屬型氫化物時，H2即放出。LaNi5合金可相當長期地反復進行吸氫和放氫。1kg LaNi5合金在室溫和250kPa壓力下可儲存15g以上氫氣。

2010年美國提出實用化儲氫系統的指標為：儲氫質量分數6.5％，體積容量為62kg·m-3。

太陽能是天然核聚變能。從灼熱的等離子體火球——太陽的光譜分析推測，其釋放的能量主要來自氫聚變成氦的核反應：

式中，表示正電子。太陽輻射能僅有22億分之一到達地球，其中約50％又要被大氣層反射和吸收，約50％到達地面，估計每年5×1021kJ能量到達地面。只要能利用它的萬分之一，就可以滿足目前全世界對能源的需求。直接利用太陽能的方法主要有以下三種。

①光轉變為熱能。所需的關鍵設備是太陽能集熱器（有平板式和聚光式兩種類型）。在集熱器中通過吸收表面（一般為黑色粗糙或采光涂層的表面）將太陽能轉換成熱能，用以加熱傳熱介質（一般為水）。例如，薄層CuO對太陽能的吸收率為90％，可達到的平衡溫度計算值為327℃；聚光式集熱器則用反射鏡或透鏡聚光，能產生很高的溫度，但造價昂貴。目前太陽能熱水器的應用已經十分普遍。

②光轉變為電能。利用太陽能電池可直接將太陽輻射能轉換成電能。目前使用的小型計算器已經使用太陽能光板作為計算器電力來源，但由于儲能有限，仍需要裝配小型電池供電。隨著空間技術的發展，專家們已在構思在宇宙空間建造太陽能發電站的可能性，太陽能光板作為電源的航天器已經在多國發射。上海世博會的主體設計，將太陽能光板置于場內建筑物房頂，吸收太陽能后為場內部分建筑供電，這一舉措引起全世界關注。我國許多地區已經逐漸采用太陽能路燈代替傳統電路燈，節能措施得到全社會認可。

③光轉變為化學能。利用光和物質相互作用引起化學反應，實現光化學轉換。例如，利用太陽能在催化劑參與下分解水制氫。利用仿生技術，模仿光合作用一直是科學家努力追求的目標，一旦解開光合作用之謎，就可使人造糧食、人造燃料成為現實。

應用太陽能不引起環境污染，不破壞生態平衡，是一種理想的清潔能源。專家們預測，太陽能將成為21世紀人類的重要能源之一。我國西部沙漠地區在建多所太陽能電站。

應當指出從太陽到達地球的能量考慮，除直接的太陽輻射能外，風、流水、海流、波浪和生物質中所含的能量也來自太陽輻射能。所以，太陽能的間接利用應包括水力、風力、海洋動力和生物質等的利用。

大眾汽車等公司一直致力于太陽能汽車的研發，目前已經有多臺模型汽車問世，但受限于太陽能電池的體積等問題，汽車模型并未應用于實際生產，但給所有汽車廠家提供了一條新能源革新之路。

（四）鋰電池與新能源汽車

隨著移動通信的快速發展以及筆記本電腦的普及，鋰離子電池迅速替代了鎳鎘、鎳氫電池，成為最受歡迎的高能電池。在小型電池領域使用最多的為鈷酸鋰和三元材料鋰離子電池，比容量可達到140mA·h·g-1以上。而隨著清潔能源的迅猛發展，動力型鋰離子電池的開發前所未有的關注。磷酸亞鐵鋰作為最有希望的動力型電池正極材料，其循環壽命可達4000次以上，比容量可達160mA·h·g-1以上。隨著比容量和安全性能的提高，鋰離子電池在電動車、電動汽車、儲能設備上具有廣闊的應用前景。太陽能汽車見圖1-4。

從1800年意大利科學家Volta研制出第一套電源裝置Volta堆開始，電池的研制步伐一直沒有停止過。1859年鉛酸蓄電池成功之后，化學電池開始登上歷史舞臺。1868年法國科學家勒克朗謝研制出鋅-二氧化錳干電池，1895年瓊斯研制出鎘-鎳電池，1900年愛迪生研制出鐵-鎳電池。二次大戰之后，隨著理論的突破、新材料的開發及市場的需求擴大，電池技術得到快速發展，最先得到發展的是鋅錳堿性電池。進入20世紀80年代，科學技術發展迅速，各類用電器具的出現，對化學電源的要求也越來越高，呈現小型化、能量密度高、密封性好、儲存性能好、電精度高等發展特點，因此，蓄電池成了電池行業的研究重點，于1988年實現鎘鎳蓄電池的商業化。

在鋰離子電池出現之前，以金屬鋰為負極的原電池已經于20世紀70年代初成功商業化。這種鋰原電池以金屬鋰為負極，采用二氧化錳和氟化碳等材料作為正極材料，與傳統電池相比，放電容量高數倍，電動勢在3V以上，可以作為長壽命電池、高壓電池使用。但是，由于負極金屬鋰在充電過程中容易產生纖維狀枝晶鋰，一方面，會發生枝晶折斷現象（形成“死鋰”），另一方面，枝晶鋰會刺穿電池隔膜，造成短路，使得電池容易出現壽命變短、儲存性差、安全性差等問題，因此，鋰蓄電池的商業化效果并不好。1980年，由Armand提出“搖椅式電池”（RCB）概念，電池的正負極均采用能讓鋰離子自由脫嵌的活性物質，也就是鋰離子二次電池。

1990年，索尼公司率先推出以鈷酸鋰為正極材料的鋰離子二次電池，在往后的二十多年中，鈷酸鋰電池一直是小型鋰離子電池市場的主角。隨著電動工具的不斷開發與應用，鋰離子電池應用越來越廣泛。正極材料是鋰離子電池中最重要的組成部分，在充放電過程中，不僅需要負擔往復正負極嵌鋰化合物間脫嵌所需要的鋰離子，還需要向負極材料提供表面形成SEI膜所需的鋰。因此，高性能正極材料的研究和開發已成為電池行業發展的關鍵，得到國內外研究學者們的共識。至今，鋰離子電池正極材料的種類也越來越多，各種材料的性能、特點、適用領域也各不相同，主要有：鈷酸鋰（LiCoO2）、鎳酸鋰（LiNiO2）、尖晶石錳酸鋰（LiMn2O4）、三元材料（LiNixCoyMnzO2）、橄欖石相正極材料（LiFePO4），鈷酸鋰是應用最早也是應用時間最長最成熟的一種正極材料，但是由于成本及安全等因素，工業生產中一直在尋找新的材料替代鈷酸鋰，最早的有鎳酸鋰及鎳錳酸鋰，以及后來的錳酸鋰、三元材料、磷酸亞鐵鋰等。表1-2列出了五種正極材料的各項性能指標。

鋰鐵電池是2000年后由美國永備公司所推出來并得到成功市場化的新型綠色高能化學電源，在應用于需要高能量高功率電源的電子設備和電動玩具方面，顯示了非常優越的性能。

①超長壽命，長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右，最高也就500次，而山東海霸能源集團有限公司生產的磷酸鐵鋰動力電池，循環壽命達到2000次以上，標準充電（5小時率）使用，可達到2000次。同質量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”，壽命最多也就1～1.5年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，壽命將達到7～8年。綜合考慮，性能價格比將為鉛酸電池的4倍以上。

②使用安全，磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強烈的碰撞下會產生爆炸對消費者的生命安全構成威脅，而磷酸鐵鋰已經過嚴格的安全測試即使在最惡劣的交通事故中也不會產生爆炸。

③可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內即可使電池充滿，啟動電流可達2C，而鉛酸電池現在無此性能。

④耐高溫，磷酸鐵鋰電熱峰值可達350～500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。

⑤大容量。

⑥無記憶效應。

⑦體積小、重量輕。

1.鋰電池工作原理

　　 充電過程 　　

　　 放電過程 　　

當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。

同樣道理，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。

不難看出，在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于“正極-負極-正極”的運動狀態。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就像優秀的運動健將，在搖椅的兩端來回奔跑。

2.新能源汽車

新能源汽車主要由電池驅動系統、電機系統和電控系統及組裝等部分組成。其中電機、電控及組裝和傳統汽車基本相同，差價的原因在于電池驅動系統。從新能源汽車的成本構成看，電池驅動系統占據了新能源汽車成本的30％～45％，而動力鋰電池又占據電池驅動系統75％～85％的成本構成。

比亞迪公司自主研發的一款純電動汽車E6，采用磷酸亞鐵鋰動力電池為動力，電池存儲能量為57kW·h，采用3C快速充電可以在15分鐘內充滿80％，而采用中充和慢充充電的時間分別為1.5小時和4小時，電池循環4000次后，容量仍有80％。比亞迪E6電動汽車的百里能耗為19.5kW·h，僅為燃油汽車的1/4，最高時速可達到160km·h-1，實際里程可達到280km。目前，已有上百輛E6電動汽車投入深圳市出租車公司使用。在未來的十年內，鐵鋰動力電池將逐步取代鉛酸電池，在電動自行車、中大容量UPS、電動工具等領域中得到廣泛應用。

解決新能源汽車高價格的核心是降低動力鋰電池的一次采購成本。目前市場上已經商業化的動力鋰電池主要包括磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池和三元材料電池等，中國市場以磷酸鐵鋰為主，日韓大多選擇錳酸鋰和三元材料的混合電池體系。賽迪經智統計數據顯示目前國內的磷酸鐵鋰電池售價在3～4元·W-1·h，錳酸鋰和三元材料電池在4～5元·W-1·h。考慮不同類型新能源汽車的電池容量，插電式混合動力汽車的電池容量是10～16kW·h，純電動汽車的電池容量24～60kW·h，純電動大巴的電池容量一般是200～400kW·h，對應電池售價在3萬～5萬元、7萬～18萬元和60萬～120萬元水平，如此高昂的電池價格是新能源汽車價格居高不下的主要原因。

降低電池成本，一直都是產業內重要的解決方向。除了電池體系改善和使用壽命提升帶來成本降低外，當前主要的降成本方案是規模化和回收資源化。以全球新能源汽車最為成功的企業特斯拉來看，其使用18650圓柱電池（電池型號：直徑18mm，長度65mm）因規模擴大從2007年到2012年成本約下降了40％左右。未來隨著新能源汽車的普及以及動力電池的規模化生產，電池成本會進一步降低到2元·W-1·h-1以下，從而達到《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》中2015年的規劃目標。

在資源化利用上，動力鋰電池目前還存在回收體系不完善，回收價值偏低的問題。雖然國內目前也涌現出了像格林美和湖南邦普等大型回收企業，但其主要回收鉛酸電池，動力鋰電池回收存在回收成本高、回收產業鏈不完善的問題。動力鋰電池的回收資源化需要充分借鑒鉛酸電池回收利用的經驗。鉛酸電池建立了完備的回收網點和回收產業鏈，一般鉛酸電池在回收時具備30％的回收價值。

3.動力鋰電池再利用是電池成本降低的新路徑

動力鋰電池再利用是指介于新能源汽車和動力鋰電池資源化的中間環節，通過對汽車使用后的動力電池進行拆解、檢測和分類后的二次使用，實現動力電池梯級利用，從而實現動力電池30％～60％成本降低的目的。一般來說，新能源汽車對動力鋰電池報廢的標準是電池容量低于80％，如果電池剩余容量還在70％～80％，直接進行資源化回收是極大的浪費，做好動力鋰電池再利用對電池成本的降低尤為重要。

國家政策支持動力鋰電池再利用的產業化探索。2012年7月出臺的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》明確提出“制定動力電池回收利用管理辦法，建立動力電池梯級利用和回收管理體系，明確各相關方的責任、權利和義務。引導動力電池生產企業加強對廢舊電池的回收利用，鼓勵發展專業化的電池回收利用企業”。國家從規劃層面給動力電池再利用提供了方向。

動力電池再利用和回收都是我國的新能源汽車產業鏈考慮較少的環節，而漸行漸近的新能源汽車產業化帶來的巨量動力鋰電池處理已經成為急迫解決的問題。據賽迪經智研究結果，預計到2020年前后，我國新能源汽車動力鋰電池累計報廢量將達到12萬～17萬噸的規模。如此巨大的電池回收量需要提前進行動力鋰電池再利用業務的研究和商業模式的摸索。

由于產能結構的改革，舊的能源勢必會被新能源替代。在石油逐漸枯竭的不遠的將來，電動車占領的市場份額會越來越大，鋰資源勢必會過度開發，回收廢舊電池中的有效成分在未來將有很大的發展潛能。