陳超　余高楓

摘要：21世紀人類面臨著嚴峻的能源、資源和環(huán)境危機的挑戰(zhàn)。綠色化學作為一個化學研究的前沿，正在迅速地崛起。本文主要探討綠色能源在電池和新材料中的應用。

關(guān)鍵詞：綠色化學；綠色電池；新材料

綠色化學化工技術(shù)追求采用“原子經(jīng)濟”反應，采用“原子經(jīng)濟”反應，即原料分子中的每一個原子都轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，沒有副產(chǎn)品及廢物的產(chǎn)生，完全實現(xiàn)“零排放”；原材料不采用有毒或有害的材料，使用無毒無害的催化劑和溶劑，以生產(chǎn)環(huán)境友好產(chǎn)品為目標。

一、 綠色化學在綠色電池中的應用

新型綠色環(huán)保電池具有高性能、無污染的特點，其中包括金屬氫化無鎳蓄電池、鋰離子蓄電池、燃料電池、無汞堿性鋅錳原電池、電化學貯能超級電容器等等。目前已廣泛應用的太陽能電池也是一種綠色環(huán)保電池。新型綠色化學電池具有巨大的市場潛力，社會多方人士，包括學術(shù)界、工業(yè)界和金融界，都在投入大量人力、物力、財力進行技術(shù)的研究以及產(chǎn)品研發(fā)。新型綠色化學電池不僅促使中國新興電子產(chǎn)業(yè)的形成，還對國防、化工材、電子、交通、通信等多個領(lǐng)域帶來巨大的推進作用。

（一） 氫能

氫能是一種清潔、高效的能源，用于燃料電池時其能源轉(zhuǎn)化效率在50%以上，而傳統(tǒng)高效柴油機的能源轉(zhuǎn)化效率只有30%左右。近年來一些發(fā)達國家紛紛加大對氫能和燃料電池技術(shù)的研發(fā)，特別是在實現(xiàn)道路交通與能源安全和環(huán)境保護的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展方面，進行了有益的探索和嘗試，并取得了一定成效。

（二） 鋰離子蓄電池

鋰離子蓄電池由三部分構(gòu)成，其碳負極具有使鋰離子嵌入或脫嵌的作用，使用可逆嵌埋的金屬氧化物作電池的正極，還有有機電解質(zhì)。工作電壓可達3～6V，也就是1個鋰離子電池相當于3個鎘鎳或金屬氫化物鎳電池。鋰電池使用壽命長。不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池，是目前手機、筆記本、數(shù)碼產(chǎn)品中應用最廣泛的電池，也現(xiàn)代高性能電池的代表。

（三） 燃料電池

燃料電池是一種綠色化學電池，工作原理是把燃料通過化學反應釋放出的能量轉(zhuǎn)換為電能輸出，所以被稱為燃料電池。它工作時需要連續(xù)地向其供給反應物質(zhì)——燃料和氧化劑，燃料是氫氣或含氫燃料，氧化劑采用氧氣。燃料電池的優(yōu)點有：清潔環(huán)保，產(chǎn)物是水；能量轉(zhuǎn)換率較高，超過80%；容量大、比能量高、功率范圍廣、不用充電等。但由于成本高，系統(tǒng)比較復雜，僅限飛船、潛艇、軍事、電視中轉(zhuǎn)站、燈塔和浮標等特殊用途方面。目前燃料電池是電動汽車理想的動力源。

（四） 太陽能電池

太陽能電池，是利用半導體硅、硒等材料的光電效應，將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。與其他發(fā)電方式相比，太陽能電池的突出優(yōu)勢在于：不需燃料太陽光能取之不竭），噪聲小，環(huán)保無污染，轉(zhuǎn)換效率較高，易于維護等等。太陽能電池的應用非常廣泛，已從軍事、航天領(lǐng)域進入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家電以及公用設施等部門，尤其在邊遠地區(qū)、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價很貴的輸電線路。除以上外，一種具有極高的比功率，可實現(xiàn)大電流脈沖放電超級電化學電容器貯能技術(shù)正在得到廣泛關(guān)注，并有相關(guān)產(chǎn)品問世。

（五） 其他

以下幾種綠色電池正以極快的速度發(fā)展：鋅空氣電池和PEM燃料電池、聚合物電解質(zhì)鋰蓄電池、環(huán)保型無汞堿性鋅錳原池、密封鉛酸蓄電池、貯氫材料及金屬氰化物鎳蓄電池、鎳氫電池等。

二、 綠色化學與新材料

新材料與綠色化學也有著密不可分的聯(lián)系。一方面，通過綠色化學化工技術(shù)開發(fā)新材料，另一方面，新材料的應用又反過來促進綠色化學化工技術(shù)的發(fā)展。納米材料可以制作成非常好的催化劑，用來治理環(huán)境的污染。如納米鈦酸鈷是非常好的石油脫硫催化劑，納米TiO2（銳鈦型）是重要的降解有機污染物的光催化劑，復合稀土化合物的納米級粉體可以使汽油燃燒時起催化作用而不再產(chǎn)生氮氧化物，而根本無需進行尾氣凈化處理。碳納米管和納米纖維是很好的儲氫材料，并可以做成燃料電池驅(qū)動汽車，可有效避免因機動車尾氣排放所造成的大氣污染。因此，納米材料不僅在污染源頭預防而且在環(huán)境治理方面都有極大的潛力，這也是發(fā)展綠色化學的目的和要求。有機高分子材料在我國生產(chǎn)和使用規(guī)模很大，但是廢棄物大部分不能自然降解，導致河流和空氣污染，嚴重地威脅著人們的生存環(huán)境，同時造成巨大的資源浪費。所以，進行有機高分子材料生態(tài)設計和再生利用是人類生存環(huán)境的必要，同時也具有重要的政治與經(jīng)濟意義。在進行“生態(tài)材料”的綠色化設計時，應該遵循三大原則：（1）在生命周期內(nèi)應具有對環(huán)境沖擊負荷低、生命周期長、低成本的基本特點；（2）應具有多次利用或易再生利用的特點，能通過反序加工技術(shù)或還原技術(shù)還原成原料；（3）應具有低成本再生資源化和低成本回收的特點。在建筑材料中，綠色化學和技術(shù)生產(chǎn)綠色阻燃劑及阻燃材料的目標是其在整個生命周期（包括設計生產(chǎn)、銷售、使用和后處理4個階段）對4種不同的介質(zhì)（生物、大氣、水和土壤）都無影響或影響最小。今后綠色阻燃材料工業(yè)研究的重點應是開發(fā)新型環(huán)境友好的低煙、低毒無鹵產(chǎn)品，采用環(huán)境友好的化學反應，在工藝過程中使用無毒無害的原料、溶劑和催化劑。

三、 結(jié)語

綠色化學被公認為是21世紀最重要的學科之一，它的發(fā)展將影響著能源與資源的合理使用，對資源和環(huán)境的保護起著重大的作用。綠色環(huán)保電池已經(jīng)在國際上被公認為優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)。綠色材料也逐漸變得越來越重要。我國應該立足長遠目標，大力發(fā)展綠色化學，使其為我國的可持續(xù)發(fā)展做貢獻。

參考文獻：

[1]徐宏賓.綠色化學在新能源電池中的應用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2014，4（13）.

[2]王靜康，龔俊波，鮑穎.21世紀中國綠色化學與化工發(fā)展的思考[J].化工學報，2004，55（12）.

作者簡介：

陳超，余高楓，浙江省臨安市，浙江農(nóng)林大學。