新能源材料發(fā)展現(xiàn)狀及其未來發(fā)展展望

郭宇翔

清華大學(xué)機(jī)械工程系 北京 100000

本文中的新能源材料具有以下三項特點。第一,具備較強(qiáng)的儲存性。第二,能夠承擔(dān)轉(zhuǎn)換的功能。第三,具備較強(qiáng)的支撐作用。正是由于新能源材料的以上三種特性,帶動了以新能源為中心的整個新能源工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的全面革新,從而進(jìn)一步推動整個能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級,對人類工業(yè)文明的向前推進(jìn)起到了積極作用。

一、鎳氫動力電池應(yīng)用概況及我國在此方面取得成就

隨著我國環(huán)境治理能力和人們環(huán)保意識的進(jìn)一步加強(qiáng),混動汽車以及新能源汽車成為人們家庭構(gòu)成重要的選項之一。大部分新能源和混動能源汽車運用的電池為鎳氫動力電池。日本公司在鎳氫動力電池的生產(chǎn)和制造生具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。動力電池的優(yōu)勢體現(xiàn)在電池比能量方面,即具有較高的比功率和比能量。比如,Panasonic EVE n－ergy 公司生產(chǎn)的Prius動力電池,其比能量為45Wh/kg,而比功率更是高達(dá)1300W/kg。這種電池為日本混動汽車的生產(chǎn)、銷售,提供了強(qiáng)有力的動力,并經(jīng)受了世界市場的考驗,進(jìn)一步刺激世界市場的需求。因而,此公司進(jìn)一步擴(kuò)大鎳氫動力電池的生產(chǎn)規(guī)模。

從現(xiàn)階段的鎳氫電池的出口量而言,我國已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過日本。我國的鎳氫電池不僅具有量的優(yōu)勢,更具有質(zhì)的提升。以清華大學(xué)研究的混合動力電池為例,其生產(chǎn)的鎳氫電池可以為客車提供強(qiáng)有力的輔助。我國具備生產(chǎn)出多種電容量電池的能力,比如,80安時、28安時以及6.5安時。其中80安時的電池比功率可以達(dá)到每千克1000瓦。之所以取得如此大的成就在于新材料的研制和運用。新材料的運用主要體現(xiàn)在以下兩個方面。第一方面,新能源電池的無機(jī)儲氫合金的研制。我國使用多元的合金材料。這種材料運用的優(yōu)勢在于不僅可以優(yōu)化了材料中的綜合電化學(xué)性能,而且大大提升了電池的電催化活性,提升整體的電池綜合儲電和放電能力。但是,我們也應(yīng)看到這種電池的劣勢,即循環(huán)穩(wěn)定性較差。在低于零下40攝氏度時,電池的整體容量會下降到整體的70%。第二方面,我國在質(zhì)子交換膜的研制方面取得巨大進(jìn)展,其主要運用在燃料電池的發(fā)動機(jī)上。

此外,燃料電池的催化劑研發(fā),在世界各國的共同努力下,取得了飛速進(jìn)展。其中Pt、Ru及C 催化劑的研發(fā)、生產(chǎn)和運用獲得了良好的發(fā)展。除了Pt/C及PtRu/C催化劑外,非鉑催化劑、低鉑催化劑以及抗中毒催化劑的再回收技術(shù)也取得了較為突出的成就,從而實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

二、儲氫材料材料特點以及我國在此方面的發(fā)展現(xiàn)狀

眾所周知,儲氫材料具有較強(qiáng)的活化性;平衡壓力平坦且適中;適宜溫室操作;具有較強(qiáng)的抗毒性。制約儲氫材料發(fā)展的原因是材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高,其中鈦系A(chǔ)B 型合金、AB5型儲氫合金等材料的質(zhì)量比為2.2%。美國將其質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升到5.5%。顯而易見,研究新型的儲氫材料,提升儲氫材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù),成為現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展的主攻方向。我國在儲氫材料的研發(fā)方面取得飛速進(jìn)展,其中陳萍研制的氨基磞烷化合物氫材料取得了較為顯著的成效。即在溫度達(dá)到90攝氏度時,這種材料釋放氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到10.9%,但是其缺陷在于可控放氫的性能較差。

三、SOFC研制現(xiàn)狀、用途以及需要突破的關(guān)鍵性技術(shù)

SOFC為固體氧化物燃料電池,可用于新能源汽車、移動電源以及軍用潛艇等。這種電池對工作溫度具有較高的要求。只有在800到1000攝氏度的條件下,才能實現(xiàn)電池的啟動和關(guān)閉的運作功能。這種嚴(yán)苛的工作條件也提升了與之相匹配的材料的生產(chǎn)成本。大部分科學(xué)研究人員反其道而行之,即探究中低溫下供這種電池正常使用的材料。通過大量的實驗探究,相關(guān)人員找到了兩種合適的材料。第一種,YSZ薄膜。這種材料具有降低電解質(zhì)厚度的功能,實現(xiàn)燃料電池的高功率輸出。第二種,新型陰極材料。這種材料發(fā)展尚未成熟,處在研發(fā)階段。與上述材料一樣具有較強(qiáng)的電解性,具備與中溫電解質(zhì)相容的特性。究其原因是受現(xiàn)階段技術(shù)的限制,相關(guān)科研人員只能運用內(nèi)重整的方式,提升存放電效率,降低生產(chǎn)成本。這種研制方式會造成陽極的積碳過多,進(jìn)而導(dǎo)致陰極界面以及過電位的電阻增大。因而新型陰極材料需要具備較強(qiáng)的與中溫電解質(zhì)相容的特性。

總而言之,新能源材料的研制與運用,并不是某個國家的事情,而是整個世界的共同責(zé)任。各個國家應(yīng)樹立整體意識,組建相應(yīng)的技術(shù)研究機(jī)構(gòu),充分發(fā)揮各個國家的先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢,研制出適合經(jīng)濟(jì)發(fā)展,節(jié)約環(huán)保的新型能源材料,從而共同面臨人類在生存和發(fā)展中的挑戰(zhàn),促進(jìn)世界的良性和可持續(xù)發(fā)展。