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【未来(科学)论坛2】以新材料创新解决未来能源问题
来源:Original    作者:admin    发布时间:2017-11-06  

 

 

 

2017年浦江创新论坛未来(科学)能源与材料科学论坛9月24日下午在东郊宾馆举行。复旦大学副校长、中科院院士金力教授出席并致辞。中科院合肥物质科学研究院所长助理孙有文研究员、中国驻多伦多总领事馆科技组沈建磊参赞、凯斯西储大学先进碳材料科学与工程中心主任戴黎明教授、中科院大连化物所国家能源液流储能电池技术重点实验室主任张华民研究员、南洋理工大学化学与生物医学工程学院楼雄文教授、复旦大学化学系先进材料实验室主任赵东元院士作主题演讲。

以下为各位嘉宾的演讲摘录

孙有文

中科院合肥物质科学研究院所长助理,研究员

利用核聚变能之梦

1.人类社会经过几次科学革命的发展,对化石能源的需求也急剧增加。我国的能源问题十分迫切,也对环境形成了巨大压力。寻找新的清洁能源是迫在眉睫的任务。

2.核聚变是宇宙中普遍存在的能量形式,太阳和其他数不胜数的恒星都是以核聚变的形式放射能量。最常见的聚变形式是氘和氚的聚变。每升海水中存在的氘能够通过聚变释放出相当于几百升汽油的能量,有望一劳永逸的解决能源问题。

3.可控核聚变是非常安全的。聚变材料本身不具备放射性,而且聚变反应一旦切断电源就会停止,不会像裂变一样无法中止,是一种清洁能源。

4.磁约束是可控核聚变的主流方案之一。托科马克方案则是磁约束核聚变的主流构形。托科马克具有轴对称结构和自加热等优点。过去几十年来,托科马克的性能指标(温度·密度·约束时间)增长了四个数量级,几乎超过了计算机的摩尔定律。

5.我国参与了中、美、俄、日、韩、印、欧七方合作的ITER设施的建设。该设施的目标是实现输出/输入能量之比达到10。

6.我国的EAST设施是世界首个全超导托科马克装置。中科院合肥物质科学研究院所通过设施的建设和研发,取得了大量的科研成果,并且形成了世界领先的人才团队。国际ITER设施的研发团队也越来越频繁的拜访我国。我国还计划在2030年左右建成新一代的CFETER设施,在规模上同ITER类似,同时更加强调了自身产氚并直接参与反应的自持反应性能。

7.托科马克研究主要的问题包括三方面。首先是核聚变和磁场控制的科学理论问题。其次是极端高温高压设备的工程问题。还有具体材料和器件问题。

沈建磊

中国驻多伦多总领事馆科技组参赞

加拿大科技概况及清洁能源

1.加拿大具有两方面的特点。首先是资源丰富,五大湖区的淡水资源占全球20%,石油天然气储量分别居全球第三和第五,镍矿、锌矿、铀矿储量都是全球前列,矿石总产量占全球15%,粮食产量、森林资源都非常丰富。其次是科技发达,在生物技术、信息(数字多媒体)、清洁技术、汽车、航空航天等领域都极具实力。加拿大以3000万人口和150年的历史贡献了23位诺贝尔奖得主,并覆盖了所有的诺贝尔奖项目。

2.安大略省是加拿大人口、经济、政治的第一大省,每年的科技投入达到140亿加元。生物、清洁、数字方面的实力在加拿大首屈一指。同时也有极高的生活幸福指数。省会多伦多也是北美的创新中心。其原因主要是由于:1)低廉的税收和创业成本;2)完善的教育体系;3)创新人才高度集中;4)完善的基础设施;5)创业成功与当地优势的航空、生物、等产业紧密结合。安大略具有多伦多大学、西安大略大学、滑铁卢大学等高校,产生了胰岛素之父、干细胞之父、机洗学习算法之父等杰出科学家。在清洁能源领域,Ballard、Hydrogenics两家公司在燃料电池领域占据全球领先地位。锂电池领域则具有Jeff Dahn和Linda F Nazar等顶尖科学家。

3.目前加拿大政府非常重视同我国的合作。整体而言加拿大目前的清洁技术现状是:1)积累深厚,成果丰硕;2)成本较低,性价比较高;3)待价而沽,相对分散等待发掘;4)转化率低,加拿大自身市场空间小,匹配度低,亟需转化出口。

戴黎明

凯斯西储大学先进碳材料科学与工程中心主任、Kent Hale Smith教授

无金属炭基催化材料在能源领域的应用

1. 燃料电池是一种清洁能源,水是唯一产物。但燃料电池所需的氢气和氧气的生产在目前仍处于高成本高污染的状态。未来利用太阳能催化电解水是一个低成本、零污染的发展方向。催化电解水——燃料电池——绿色存储能够形成一个能量产生、转化、利用的完整循环。燃料电池产生的水也能够再次用于电解水,不产生浪费。整个循环只需要太阳能的输入,实现绿色自循环。

2. 这一循环的关键在几个环节的反应催化剂,尤其是燃料电池的氧还原环节,以往都用铂、铱、钌等贵金属,成本较高。正是由于这一原因,60年代就基本成熟的燃料电池技术至今仍只是用于航空航天等尖端领域,未能全面推广。此前的一些研究试图使用铁、钴、镍等金属开发新的催化剂降低铂的用量。但目前仍存在整体成本较高,或催化效率较低的问题。

3. 我们研究了掺杂了氮、硼等元素的碳纳米管和石墨等不含金属的碳材料。其催化效果比铂高三倍,寿命也非常长,还避免了铂的一氧化碳中毒问题。甚至不掺杂、仅仅在碳材料中制造出缺陷,或者浸泡在特定溶剂中,就能体现出催化活性。

4. 加拿大的BALLARD公司刚刚发布了非贵金属催化的燃料电池电池。目前我们的实用化产品性能和BALLARD产品差不多,且寿命更好。类似的方法可以用于制造电解电极。如果最近的研发进展势头继续保持下去,相关产品的产业化应用应该不会太远了。

张华民

中科院大连化物所研究员、国家能源液流储能电池技术重点实验室主任

液流电池技术的发展应用和产业化

1. 我国的能源规模,在2003年折合为18亿吨标准煤;到2015年就达到了45亿吨。按照规划,这一数字在2020应限制在48亿吨,其中煤炭能源控制在43亿吨,约占80%。可再生的风、光等非化石能源需要大力发展。但此类能源具有不可控、不连续、不稳定的缺点。仅去年,我国由于不可控而造成的弃电就达到了130亿度,相当于1.6个三峡。

2. 要解决这一问题,就需要大规模储能的发展。储能设备和可再生发电设备通过“跟踪计划发电”的方式耦合,可以实现稳定持续的供电。大规模储能技术需要考虑三方面因素:1)安全;2)全生命周期的高性价比;3)全生命周期的绿色环保。液流电池的电解液安全、容量可控,且可循环利用;循环寿命长,可达13000次;整体使用可达寿命15年以上。这些优点正是应对了大规模储能的需求。整体而言,大规模储能的瓶颈在于材料科学发展缓慢。材料是能源技术的基础和支撑,直接影响整个电池系统的成本、稳定性问题。

3. 我们已经形成了液流电池材料批量生产、模块设计制造、系统集成控制的完整自主知识产权体系。钒基电解液可以循环利用,比铅酸电池处理回收成本低很多,并且实现了规模化生产。目前世界上80%的钒电解液在我们团队生产。液流电池的电极就是石墨毡、碳纸等碳材料,报废后可以直接焚烧处理。我们开发了碳塑复合双极板,成本仅为50元/m3,远远低于以往1700元/m3的石墨双极板。新开发了非氟离子交换膜,性能上超过了国外含氟的同类产品,并且降低了价格,提升了环保性。我们还形成了大规模生产装备的制造能力。

4. 我们的目标是把液流电池在300ma/m3级别的储能效率提高到80%以上,超过抽水储能的70%。2020年储存成本要降低到300美元/千瓦时。考虑到电解液的循环回收价值,实际成本可以降低到225美元/千瓦时,跟锂离子电池产不多。同时寿命更长。

 楼雄文

南洋理工大学化学与生物医学工程学院教授

纳米材料在下一代可充电电池里的应用

1. 新一代充电电池的研究需要百花齐放。不同技术路线具有不同的特点和需求,很难断言哪种电池是未来的市场赢家。但从能量密度的角度金属空气电池遥遥领先,但是其敞开式的结构也带来了许多技术难点。我们比较关注的还是锂离子电池和Li-S电池。

2. 锂离子电池主要分为三种:1)柱状电池;2)平板电池;3)柔性超薄电池。其中最重要的是正负极材料,也是目前锂离子研究的最前沿。锂离子发明于60年代,90年代才正式商业化。能量密度不断提高。

3. 前新的电极研究方案包括:1)掺杂机理,但存在能量密度不足的问题;2)合金机理,存在较强的体积膨胀问题;3)转换金属机理,同样存在体积膨胀问题。因此当前研究重点在于减小电极的膨胀应力。我们通过制作空心结构的纳米粒子来解决难题。包括在纳米氧化锡外包柔软的碳材料以提高稳定性,以及对氧化钛、氧化铁的研究。

4. Li-S电池和Na-S电池同样发明于70年代。但直到2008年纳米技术的进步才解决了Li-S电池的充电问题。Na离子电池的能量密度较低,但便宜、安全,适合大规模电能储存。相应的正电极材料选择更少。对于这些电池而言,纳米材料仍然是必须发展的技术方向。

5. 摩尔定律在电池领域是不存在的,快速的突破是不现实的。未来的发展仍然需要耐心。

赵东元

中国科学院院士、复旦大学化学系教授,先进材料实验室主任

化学新材料与未来能源

1. 我对能源危机是否会到来表示怀疑。以往我们认为化石能源是生物化石形成的,所以储量有限。但目前的无机学说认为石油、煤炭等化石能源是和地球一起形成的,我也比较倾向这一说法。主要石油出口国家的探明储量也在不断增加。

2. 能源危机不会有。但是问题在于二氧化碳排放造成的环境问题隐患极大。如何利用好碳仍然值得大力研究。目前世界能源的大趋势是需求增加、增长速率放缓、天然气和可再生比例增加、碳排放降低。我国缺油少气、大量倚重煤矿,人均油气存量很少,人均煤炭也少于平均水平。整体而言既存在短缺、污染的远虑,也存在供给不足、效率低下的近忧。这是非常严峻的能源安全问题。我国承诺在2030年达到CO2排放峰值,因此现在就应努力从粗放、低效的能源利用向绿色低碳的方向努力。

3. 科技创新是解决未来能源问题和环境问题的重要途径。但新型可再生能源正处于婴儿期,不可能在短时间内挑起未来能源的重担。太阳能光热、光伏的利用还存在成本高昂、效率低下的问题,更加先进的光解水和人工光合作用还在研发中。生物质能能量密度低,运输成本高,需要催化和转化。水利能、风能、地热能都分布不均。整体而言新能源或多或少的都存在着市场、科技、成本等问题尚未解决。

4. 我们处于并将长期处于对一次性能源的依赖中。因此当务之急是提高对一次性能源的清洁利用研究。包括天然气和可燃冰的开采,清洁油品的开发,煤炭的多项联产和CO2捕获等技术。我们开发了核壳纳米结构的纳米催化剂,尝试对以往无法高效利用的重油和渣油进行深化裂解,有望大大提高轻质燃油的超出率。此外还在研究把催化剂做成液相,直接催化原油。

5. 其他新能源应该以碳循环的视角来介入现有能源体系,开发出炭基能源的清洁转化和全碳利用的变革性技术。未来的能源系统就是碳循环系统,例如通过光、风、核能产生电能以及氢气,并进而参与到碳循环中来。这一过程中的储能材料、催化材料、能源转化、CO2转化等环节都需要化学新材料的研发。

 

摘录根据与会嘉宾演讲整理。文章为作者独立观点,不代表主办机构立场。


 

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