新能源材料設(shè)計及性能預(yù)測分析

樊松昊

【摘 要】隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源問題越來越成為制約經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，人們對于能源問題的關(guān)注程度越來越高，綠色環(huán)保、可再生的新能源材料的應(yīng)用可以當(dāng)前緩和經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的矛盾，調(diào)解能源供需現(xiàn)狀。新能源材料的開發(fā)和應(yīng)用能力，取決于其開發(fā)技術(shù)的更新應(yīng)用。本文在概述新能源材料的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景的基礎(chǔ)上，對新能源材料的性能預(yù)測做出分析，驗證當(dāng)前新能源材料在各個行業(yè)應(yīng)用的普適性。

【關(guān)鍵詞】新能源材料；性能預(yù)測

能源問題在工業(yè)社會中一直是困擾經(jīng)濟發(fā)展的重要問題，粗放型的傳統(tǒng)能源的使用對于環(huán)境造成的影響不可逆轉(zhuǎn)，能源利用帶來的經(jīng)濟利益與人居環(huán)境之間的矛盾日益突出，加劇的空氣質(zhì)量問題讓社會不得不重新審視人類的生存問題及能源消費的結(jié)構(gòu)問題。

1 新能源材料的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前材料學(xué)對于新能源材料研究的熱點技術(shù)前沿包括高能儲氫材料、聚合物電池材料、中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料、多晶薄膜太陽能電池材料等。其研究現(xiàn)狀和發(fā)展情況可以概括如下。

1.1 鋰離子電池及其關(guān)鍵材料

鋰離子電池及其關(guān)鍵材料的研究是當(dāng)前新能源材料研究在技術(shù)方面成果最為豐富的領(lǐng)域之一，在其相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的形成及發(fā)展呈現(xiàn)的效果也效果良好。這一領(lǐng)域的研究熱點是開發(fā)適用高性能的鋰離子電池的材料、設(shè)計、技術(shù)。鋰離子電池的正負(fù)極材料研究熱點是ɑ-NaFeO■型層狀結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)，負(fù)極材料研究熱點材料代表是以中間相碳微球（MCMB）和石墨材料。我國的鋰離子正極材料在世界范圍內(nèi)占據(jù)重要地位，品質(zhì)良好，需求量逐年增加，有色金屬價格的上升也形成新政及材料的開發(fā)熱潮；負(fù)極材料主流是中間相炭小球（MCMB），國內(nèi)最大供應(yīng)商年產(chǎn)量一千噸，國內(nèi)鋰離子電池關(guān)鍵材料基本配套，為未來更大空間的發(fā)展提供了良好的物質(zhì)環(huán)境和有利條件。

1.2 鎳氫電池及其關(guān)鍵材料

鎳氫電池是近年來開發(fā)的容量大、沒有記憶效應(yīng)、綠色清潔的新型電池，主要使用貯氫合金材料。鎳氫電池最早由荷蘭研制開發(fā)，產(chǎn)業(yè)化最快的卻是日本，其產(chǎn)品性能、產(chǎn)量及技術(shù)革新都居于世界前列，我國的小功率鎳氫電池產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯，出口量年增長率在30%以上。目前，世界各國都計劃將鎳氫電池運用于電動汽車的開發(fā)計劃，鎳氫電池的未來發(fā)展方向方形密封、大容量、高比能。

1.3 燃料電池材料

燃料電池材料在工業(yè)方面應(yīng)用廣泛，比如：燃料電池電站、電動汽車及民用電器等場合，與氫能關(guān)系密切。二十世紀(jì)七十年代國外先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)將其應(yīng)用于航天技術(shù)，九十年代開始在潛艇方面應(yīng)用。燃料電池作為電源在電動汽車上年使用也是近年來燃料電池研究的目標(biāo)之一。在材料方面，主要以電解質(zhì)材料合成及薄膜化、電極材料合成與電極制備、密封材料及相關(guān)測試表征技術(shù)的研究。

1.4 太陽能電池材料

許多發(fā)達(dá)國家將太陽能光電技術(shù)放在新能源開法利用的首位，單晶硅電池和多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到20%和17%，社會各界關(guān)注廣泛。美國砷化鎵太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到可觀的20%-28%，目前利用多層結(jié)構(gòu)還可以將轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高，以高效堆積式多結(jié)砷化鎵太陽能電池為例，轉(zhuǎn)換效率達(dá)31%，多層復(fù)合砷化鎵電池轉(zhuǎn)換效率甚至已經(jīng)達(dá)到了40%。

1.5 發(fā)展核能的關(guān)鍵材料

中國核電的發(fā)展目前由適度發(fā)展向加速發(fā)展轉(zhuǎn)移，同比增長120%，我國未來計劃投入5000億元加速再生能源和核電的發(fā)展，沿海計劃建成28座核電站，核電裝機總?cè)萘坑媱澰?020年達(dá)到占據(jù)全部裝機總?cè)萘康?%，核電的發(fā)展，取決于核電材料的的研究發(fā)展，我們國家的核電材料在整體性方面還不能完全滿足核電研制及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，品種較為單一、基礎(chǔ)研究程度不夠、應(yīng)用于經(jīng)濟發(fā)展的力度及程度不夠。

2 推動新材料發(fā)展的對策及建議

我國的新材料的發(fā)展需要由政府主導(dǎo)，加強能源材料產(chǎn)業(yè)鏈的凝聚力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)貫通，提升我國嫩館材料的整體競爭力，加大技術(shù)投入和資金支持，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；政府對于新能源開發(fā)也需要構(gòu)建科技創(chuàng)新平臺，配套相關(guān)政策措施，培育可以與國際發(fā)展并肩甚至領(lǐng)先的研發(fā)成果，加快新能源材料的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，推動能源材料及能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；極大相關(guān)頂尖人才的引進(jìn)力度，包括科研人才、產(chǎn)業(yè)化人才、成果轉(zhuǎn)化人才等，加強國際間的交流與合作，互相學(xué)習(xí)指正，優(yōu)化科研環(huán)境，為優(yōu)秀人才提供相應(yīng)的優(yōu)惠政策，吸引更多的國內(nèi)外人才加入新能源材料的研究開發(fā)。

在發(fā)展新能源材料的對策方面，參照日本，加大基金投入和技術(shù)研發(fā)支持，自上個世紀(jì)九十年代，日本對于鈉硫電池進(jìn)行無償?shù)馁Y金支持，扶持示范性項目，并對投入商業(yè)運作的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行補貼；參照美國，進(jìn)行立法支持，2007年美國頒布“能源獨立與安全法”將電力儲能技術(shù)作為智能電網(wǎng)的一部分進(jìn)行重點支持，國家專項撥款扶持儲能相關(guān)項目的研究發(fā)展，我國可以根據(jù)國內(nèi)實際情況及新能源發(fā)展形勢，在參照國外扶持手段的基礎(chǔ)上作出調(diào)整，加速新能源材料的研發(fā)應(yīng)用。

3 結(jié)語

新能源的研發(fā)，取決于對于新能源材料的發(fā)現(xiàn)及物性認(rèn)識和新技術(shù)的突破，針對新能源材料的性能預(yù)測和分析，旨在建立新能源材料與現(xiàn)實需求之間的普適性聯(lián)系，符合時代的發(fā)展要求。新能源材料的開發(fā)，并不是在一朝一夕之間可以完成和應(yīng)用的，目前階段，在加大政府支持力度的同時，對于傳統(tǒng)能源的利用還需要進(jìn)一步調(diào)整其布局結(jié)構(gòu)，堅持經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護相協(xié)調(diào)，強化新能源的地位，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與科教興國戰(zhàn)略的緊密結(jié)合。新能源材料的研究和開發(fā)設(shè)計專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域廣泛，需要眾多專業(yè)協(xié)同才有可能取得階段性、突破性的成果，以應(yīng)用于經(jīng)濟建設(shè)，服務(wù)于社會發(fā)展，為能源的利用效率及種類提供更多的選擇。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]