阅读资料　能源的合理利用

煤、石油、天然气，是埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，所以称为化石能源。化石能源的有效清洁利用，对社会的可持续发展无疑起着重要的作用。随着化石能源逐渐消耗殆尽，化学应该在新能源的合理开发利用上发挥作用。

（一）煤炭与洁净煤技术

据估计，全世界煤炭资源约为1013t标准煤（标准煤的热值为29.3MJ·kg-1），可供开采利用的约占10％。不同种类的煤炭，燃烧时放出的热量不同。单位质量燃料完全燃烧所放出的热量称为燃料的热值，表1-1列出一些煤炭的元素组成和热值。优质煤的热值在30MJ·kg-1以上。

洁净煤技术主要包括煤炭的加工、转化、燃烧和污染控制等。

水煤气　将水蒸气通过装有灼热焦炭的气化炉内可产生水煤气：

这是一个强吸热反应，需避免焦炭被冷却下来。水煤气的组成（体积分数）约为含CO 40％、H25％，其余为N2和CO2等，属低热值煤气；由于含CO多，毒性较大，一般不宜作城市燃料用。若将煤气中的CO和H2进行催化甲烷化反应：

可得到相当于天然气的高热值煤气，称为合成天然气。

合成气　将纯氧气和水蒸气在加压下通过灼热的煤，生成一种气态燃料混合物，其体积分数约为40％ H2、15％ CO、15％ CH4和30％ CO2，称为合成气。

用上述合成气为原料，选用不同催化剂和合适条件可间接生产合成汽油（反应①）或甲醇（反应②）等液体燃料，称为煤的液化燃料：

①

②

由质量分数约为70％的煤粉、30％的水及少量添加剂混合而成的燃料，称为水煤浆燃料。其具有燃烧效率高、燃烧温度较低和生成NOx少等特点，与燃煤粉相比所排放的NOx和CO要少1/6～1/2。我国的水煤浆生产使用技术已跨入世界先进行列。

（二）石油和天然气

石油是主要由链烷烃、环烷烃和芳香烃组成的复杂混合物，还含有少量含氧、氮、硫的有机化合物，平均含碳（质量分数）84％～85％、氢12％～14％。石油经过分馏和裂化等加工后，可得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油等一系列产品。

石油产品中最重要的燃料之一是汽油。汽油中最有代表性的组分是辛烷。辛烷完全燃烧的热化学方程式为：

折合成辛烷的热值为47.7MJ·kg-1。

直馏汽油的辛烷值在55～72之间。在每升汽油中加0.6g“铅”可将辛烷值提高到79～88。加入汽油中的铅主要含有约60％（质量分数）的四乙基铅Pb（C2H5）4（或四甲基铅）和约40％的二溴乙烷（或二氯乙烷）的混合物。四乙基铅能阻止提前点火，防止不稳定燃烧（高效抗爆剂）；二溴乙烷则能帮助除去汽缸中的铅，使之转换成易挥发的铅卤化物，随废气排入大气。城市大气中的铅，主要来自汽车尾气。我国自2000年7月1日起禁止使用含铅汽油，改用无铅汽油，并在汽车上装置尾气转化器以净化城市空气。

天然气是一种蕴藏在地层内的可燃性气体，主要组分为甲烷。甲烷完全燃烧的热化学方程式为

折合成CH4的热值为55.6MJ·kg-1。

沼气是由植物残体在隔绝空气的情况下自然分解而成的气体，因常从沼泽底部发生而得名。沼气约含60％（体积分数）的CH4，其余为CO2和少量的CO、H2、H2S等，其热值达21MJ·m-3（比一般城市煤气还高）。沼气是一种简便、廉价、高效的清洁能源，发酵的残余物还可做肥料、饲料等而得以综合利用，具有促进生态良性循环的重要意义。

煤气和液化石油气是现代城市居民最重要的两大民用燃料。共同特点是使用方便、清洁无尘。但两者的成分和来源不同，使用方法也不一样。

煤的合成气及炼焦气是城市煤气的主要来源。其主要可燃成分为H2（50％）、CO（15％）和CH4（15％）。我国规定煤气热值不低于15.9MJ·m-3。煤气在出厂检验时，可通过增加CH4或H2来调节其热值。降低CO的含量是城市煤气发展的方向。

液化石油气来源于石油，一种是采油时的气体产品叫油田气，另一种是炼油厂的气体产品叫炼厂气。其主要成分是丙烷和丁烷，经加压液化装入钢瓶。与煤气相比，液化气有两大优点：一是无毒，基本不产生SO2等有害气体和黑烟；二是热值大，比同体积煤气高好几倍。一些工厂利用液化石油气在纯氧中燃烧时产生的高温来切割钢材；一些城市使用液化石油气作为汽车的动力，属绿色交通。

（三）氢能和太阳能

氢能有以下特点：①热值高。热值为142.9MJ·kg-1，约为汽油的3倍，煤炭的6倍。②点火容易，燃烧速率快。③如果能以水为原料制备，则原料充分。④燃烧产物是水，产物本身是洁净的。开发利用氢能需要解决三个关键问题：廉价易行的制氢工艺；方便、安全地储运；有效地利用。它们与化学关系密切，都是当前研究的热点问题。

（1）氢气的制取　可以从水煤气中取得氢气，但这仍需用煤炭为原料，不够理想。电解法制氢，关键在于取得廉价的电能，就当前的电能而论，经济上仍不合算。利用高温下循环使用无机盐的热化学法分解水制氢效率比较高，是个活跃的研究领域，其安全性、经济性仍在研究与探索中。目前认为最有前途的是太阳能光解水制氢法，关键在于寻找和研制合适的催化剂，以提高光解制氢的效率。

（2）氢气的储存　储氢方式有化学储氢和物理储氢两类。氢气密度小，在15MPa压力下，40dm3的常用钢瓶只能装0.5kg氢气。若将氢气液化，需耗费很大能量，安全要求也很高（氢气有渗漏和爆炸的危险）。当前研究和开发十分活跃的是固态合金储氢方法，储氢材料应满足：高存储能力，放氢速率快，安全性高，能耗小，循环使用寿命长等。

例如，镧镍合金LaNi5能吸收氢气形成金属型氢化物LaNi5H6：

加热金属型氢化物时，H2即放出。LaNi5合金可相当长期地反复进行吸氢和放氢。1kg LaNi5合金在室温和250kPa压力下可储存15g以上氢气。

2010年美国提出实用化储氢系统的指标为：储氢质量分数6.5％，体积容量为62kg·m-3。

太阳能是天然核聚变能。从灼热的等离子体火球——太阳的光谱分析推测，其释放的能量主要来自氢聚变成氦的核反应：

式中，表示正电子。太阳辐射能仅有22亿分之一到达地球，其中约50％又要被大气层反射和吸收，约50％到达地面，估计每年5×1021kJ能量到达地面。只要能利用它的万分之一，就可以满足目前全世界对能源的需求。直接利用太阳能的方法主要有以下三种。

①光转变为热能。所需的关键设备是太阳能集热器（有平板式和聚光式两种类型）。在集热器中通过吸收表面（一般为黑色粗糙或采光涂层的表面）将太阳能转换成热能，用以加热传热介质（一般为水）。例如，薄层CuO对太阳能的吸收率为90％，可达到的平衡温度计算值为327℃；聚光式集热器则用反射镜或透镜聚光，能产生很高的温度，但造价昂贵。目前太阳能热水器的应用已经十分普遍。

②光转变为电能。利用太阳能电池可直接将太阳辐射能转换成电能。目前使用的小型计算器已经使用太阳能光板作为计算器电力来源，但由于储能有限，仍需要装配小型电池供电。随着空间技术的发展，专家们已在构思在宇宙空间建造太阳能发电站的可能性，太阳能光板作为电源的航天器已经在多国发射。上海世博会的主体设计，将太阳能光板置于场内建筑物房顶，吸收太阳能后为场内部分建筑供电，这一举措引起全世界关注。我国许多地区已经逐渐采用太阳能路灯代替传统电路灯，节能措施得到全社会认可。

③光转变为化学能。利用光和物质相互作用引起化学反应，实现光化学转换。例如，利用太阳能在催化剂参与下分解水制氢。利用仿生技术，模仿光合作用一直是科学家努力追求的目标，一旦解开光合作用之谜，就可使人造粮食、人造燃料成为现实。

应用太阳能不引起环境污染，不破坏生态平衡，是一种理想的清洁能源。专家们预测，太阳能将成为21世纪人类的重要能源之一。我国西部沙漠地区在建多所太阳能电站。

应当指出从太阳到达地球的能量考虑，除直接的太阳辐射能外，风、流水、海流、波浪和生物质中所含的能量也来自太阳辐射能。所以，太阳能的间接利用应包括水力、风力、海洋动力和生物质等的利用。

大众汽车等公司一直致力于太阳能汽车的研发，目前已经有多台模型汽车问世，但受限于太阳能电池的体积等问题，汽车模型并未应用于实际生产，但给所有汽车厂家提供了一条新能源革新之路。

（四）锂电池与新能源汽车

随着移动通信的快速发展以及笔记本电脑的普及，锂离子电池迅速替代了镍镉、镍氢电池，成为最受欢迎的高能电池。在小型电池领域使用最多的为钴酸锂和三元材料锂离子电池，比容量可达到140mA·h·g-1以上。而随着清洁能源的迅猛发展，动力型锂离子电池的开发前所未有的关注。磷酸亚铁锂作为最有希望的动力型电池正极材料，其循环寿命可达4000次以上，比容量可达160mA·h·g-1以上。随着比容量和安全性能的提高，锂离子电池在电动车、电动汽车、储能设备上具有广阔的应用前景。太阳能汽车见图1-4。

从1800年意大利科学家Volta研制出第一套电源装置Volta堆开始，电池的研制步伐一直没有停止过。1859年铅酸蓄电池成功之后，化学电池开始登上历史舞台。1868年法国科学家勒克朗谢研制出锌-二氧化锰干电池，1895年琼斯研制出镉-镍电池，1900年爱迪生研制出铁-镍电池。二次大战之后，随着理论的突破、新材料的开发及市场的需求扩大，电池技术得到快速发展，最先得到发展的是锌锰碱性电池。进入20世纪80年代，科学技术发展迅速，各类用电器具的出现，对化学电源的要求也越来越高，呈现小型化、能量密度高、密封性好、储存性能好、电精度高等发展特点，因此，蓄电池成了电池行业的研究重点，于1988年实现镉镍蓄电池的商业化。

在锂离子电池出现之前，以金属锂为负极的原电池已经于20世纪70年代初成功商业化。这种锂原电池以金属锂为负极，采用二氧化锰和氟化碳等材料作为正极材料，与传统电池相比，放电容量高数倍，电动势在3V以上，可以作为长寿命电池、高压电池使用。但是，由于负极金属锂在充电过程中容易产生纤维状枝晶锂，一方面，会发生枝晶折断现象（形成“死锂”），另一方面，枝晶锂会刺穿电池隔膜，造成短路，使得电池容易出现寿命变短、储存性差、安全性差等问题，因此，锂蓄电池的商业化效果并不好。1980年，由Armand提出“摇椅式电池”（RCB）概念，电池的正负极均采用能让锂离子自由脱嵌的活性物质，也就是锂离子二次电池。

1990年，索尼公司率先推出以钴酸锂为正极材料的锂离子二次电池，在往后的二十多年中，钴酸锂电池一直是小型锂离子电池市场的主角。随着电动工具的不断开发与应用，锂离子电池应用越来越广泛。正极材料是锂离子电池中最重要的组成部分，在充放电过程中，不仅需要负担往复正负极嵌锂化合物间脱嵌所需要的锂离子，还需要向负极材料提供表面形成SEI膜所需的锂。因此，高性能正极材料的研究和开发已成为电池行业发展的关键，得到国内外研究学者们的共识。至今，锂离子电池正极材料的种类也越来越多，各种材料的性能、特点、适用领域也各不相同，主要有：钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）、尖晶石锰酸锂（LiMn2O4）、三元材料（LiNixCoyMnzO2）、橄榄石相正极材料（LiFePO4），钴酸锂是应用最早也是应用时间最长最成熟的一种正极材料，但是由于成本及安全等因素，工业生产中一直在寻找新的材料替代钴酸锂，最早的有镍酸锂及镍锰酸锂，以及后来的锰酸锂、三元材料、磷酸亚铁锂等。表1-2列出了五种正极材料的各项性能指标。

锂铁电池是2000年后由美国永备公司所推出来并得到成功市场化的新型绿色高能化学电源，在应用于需要高能量高功率电源的电子设备和电动玩具方面，显示了非常优越的性能。

①超长寿命，长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而山东海霸能源集团有限公司生产的磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，寿命最多也就1～1.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，寿命将达到7～8年。综合考虑，性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。

②使用安全，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂已经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。

③可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟内即可使电池充满，启动电流可达2C，而铅酸电池现在无此性能。

④耐高温，磷酸铁锂电热峰值可达350～500℃，而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。

⑤大容量。

⑥无记忆效应。

⑦体积小、重量轻。

1.锂电池工作原理

　　 充电过程 　　

　　 放电过程 　　

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

同样道理，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于“正极-负极-正极”的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就像优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。

2.新能源汽车

新能源汽车主要由电池驱动系统、电机系统和电控系统及组装等部分组成。其中电机、电控及组装和传统汽车基本相同，差价的原因在于电池驱动系统。从新能源汽车的成本构成看，电池驱动系统占据了新能源汽车成本的30％～45％，而动力锂电池又占据电池驱动系统75％～85％的成本构成。

比亚迪公司自主研发的一款纯电动汽车E6，采用磷酸亚铁锂动力电池为动力，电池存储能量为57kW·h，采用3C快速充电可以在15分钟内充满80％，而采用中充和慢充充电的时间分别为1.5小时和4小时，电池循环4000次后，容量仍有80％。比亚迪E6电动汽车的百里能耗为19.5kW·h，仅为燃油汽车的1/4，最高时速可达到160km·h-1，实际里程可达到280km。目前，已有上百辆E6电动汽车投入深圳市出租车公司使用。在未来的十年内，铁锂动力电池将逐步取代铅酸电池，在电动自行车、中大容量UPS、电动工具等领域中得到广泛应用。

解决新能源汽车高价格的核心是降低动力锂电池的一次采购成本。目前市场上已经商业化的动力锂电池主要包括磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和三元材料电池等，中国市场以磷酸铁锂为主，日韩大多选择锰酸锂和三元材料的混合电池体系。赛迪经智统计数据显示目前国内的磷酸铁锂电池售价在3～4元·W-1·h，锰酸锂和三元材料电池在4～5元·W-1·h。考虑不同类型新能源汽车的电池容量，插电式混合动力汽车的电池容量是10～16kW·h，纯电动汽车的电池容量24～60kW·h，纯电动大巴的电池容量一般是200～400kW·h，对应电池售价在3万～5万元、7万～18万元和60万～120万元水平，如此高昂的电池价格是新能源汽车价格居高不下的主要原因。

降低电池成本，一直都是产业内重要的解决方向。除了电池体系改善和使用寿命提升带来成本降低外，当前主要的降成本方案是规模化和回收资源化。以全球新能源汽车最为成功的企业特斯拉来看，其使用18650圆柱电池（电池型号：直径18mm，长度65mm）因规模扩大从2007年到2012年成本约下降了40％左右。未来随着新能源汽车的普及以及动力电池的规模化生产，电池成本会进一步降低到2元·W-1·h-1以下，从而达到《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》中2015年的规划目标。

在资源化利用上，动力锂电池目前还存在回收体系不完善，回收价值偏低的问题。虽然国内目前也涌现出了像格林美和湖南邦普等大型回收企业，但其主要回收铅酸电池，动力锂电池回收存在回收成本高、回收产业链不完善的问题。动力锂电池的回收资源化需要充分借鉴铅酸电池回收利用的经验。铅酸电池建立了完备的回收网点和回收产业链，一般铅酸电池在回收时具备30％的回收价值。

3.动力锂电池再利用是电池成本降低的新路径

动力锂电池再利用是指介于新能源汽车和动力锂电池资源化的中间环节，通过对汽车使用后的动力电池进行拆解、检测和分类后的二次使用，实现动力电池梯级利用，从而实现动力电池30％～60％成本降低的目的。一般来说，新能源汽车对动力锂电池报废的标准是电池容量低于80％，如果电池剩余容量还在70％～80％，直接进行资源化回收是极大的浪费，做好动力锂电池再利用对电池成本的降低尤为重要。

国家政策支持动力锂电池再利用的产业化探索。2012年7月出台的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》明确提出“制定动力电池回收利用管理办法，建立动力电池梯级利用和回收管理体系，明确各相关方的责任、权利和义务。引导动力电池生产企业加强对废旧电池的回收利用，鼓励发展专业化的电池回收利用企业”。国家从规划层面给动力电池再利用提供了方向。

动力电池再利用和回收都是我国的新能源汽车产业链考虑较少的环节，而渐行渐近的新能源汽车产业化带来的巨量动力锂电池处理已经成为急迫解决的问题。据赛迪经智研究结果，预计到2020年前后，我国新能源汽车动力锂电池累计报废量将达到12万～17万吨的规模。如此巨大的电池回收量需要提前进行动力锂电池再利用业务的研究和商业模式的摸索。

由于产能结构的改革，旧的能源势必会被新能源替代。在石油逐渐枯竭的不远的将来，电动车占领的市场份额会越来越大，锂资源势必会过度开发，回收废旧电池中的有效成分在未来将有很大的发展潜能。