新能源材料

麻省理工大學研究人員研發鈣鈦礦量子點單光子源

目前，全球的科研人員都在探索以量子物理為基礎的實用計算和通信技術，單光子源具有恒定、可預測和穩定的特性，被認為具有巨大的應用前景。麻省理工大學和瑞士蘇黎世聯邦理工大學的研究人員表示，他們在單光子源研究方面邁出了重要的一步。

該研究團隊使用鈣鈦礦材料制造量子點單光子源，研究內容發表在《Science》雜志上。論文作者包括麻省理工大學研究生院化學系學生Hendrik Utzat、教授Moungi Bawendi以及9位麻省理工和蘇黎世聯邦理工大學的學生。由于光子之間的量子特性難以區分，所以產生確定（波長、顏色）和穩定（不受環境影響產生波動）的單光子是量子點單光子源至關重要的能力。例如，它可以改變其中一個光子的相位，然后與其他光子相互作用產生干涉。

化學膠體量子點材料的相干時間非常的短，但是研究團隊發現，利用鈣鈦礦（鈣鈦礦是由其晶體結構定義的一類材料）制造量子點，其產生的相干性比之前的材料好上千倍。這些鈣鈦礦膠體量子點的相干性已經接近既定的發射水平。研究人員發現，鈣鈦礦在受到激光的激發后能夠很快的發射出光子。這一優點可能是量子計算的一個關鍵性質，并且它與周圍環境的相互作用非常小，提升了其相干性和穩定性。Bawendi說：“利用相干光子的糾纏特性可以實現對量子通信的加密，這是一種能夠識別攔截且絕對安全的通信方法。”目前，研究團隊的下一步工作是要優化和改進這些特性，使其具有擴展性和實用性。首先，它們需要在產生的光子中實現100%的不可分辨。到目前為止，它們已經達到了20%，Utzat說：“這是非常顯著的進步，已經可以與其他材料（已經建立了系統且使用了很長時間的材料）相媲美了。”（工業和信息化部電子第一研究所）

借助液態金屬電催化劑 室溫下氣態二氧化碳可轉化為碳電池

科學家研發了一種液態金屬電催化劑，可在室溫下將氣態二氧化碳（CO2）轉化為固體碳材料，并用于能量儲存。該方法將為去除大氣中的二氧化碳作貢獻，成為可行的“負碳排放”技術。人類的任何活動都有可能造成碳排放，而溫室氣體中最主要的氣體就是二氧化碳。因此“負碳排放”技術對于維持未來氣候的穩定至關重要，但二氧化碳這一氣體形態給溫室氣體的長期封存帶來了困難。雖然目前很多研究都專注于將二氧化碳還原成高附加值產品，如化學原料和燃料，但這些方法無法實現永久性碳捕捉（因為合成的燃料只會被用來燃燒）。

此次澳大利亞新南威爾士大學研究人員克羅什·卡蘭特-扎德、多那·艾絲拉菲澤德團隊研發了一種液態金屬電催化劑，可以在室溫下將氣態二氧化碳直接轉化為含碳固體。這一液態金屬催化劑基于無毒鎵合金，能防止結焦，即固碳吸附于催化劑表面，降低催化劑的活性。研究團隊隨后將收集得到的固體產物制成超級電容，該超級電容器未來有望成為輕量級電池材料。研究人員指出，此前的碳納米材料制備方法通常需要幾百攝氏度的高溫，而他們研發的技術可以幫助降低二氧化碳轉化的高能耗需求。科學家認為，這項研究對于去除大氣中的二氧化碳具有重要應用價值。（科技日報）

中國科學院大連化學物理研究所合成新型有機化合物用作儲氫材料

近日，中國科學院大連化學物理研究所副研究員何騰、研究員陳萍帶領團隊與廈門大學教授吳安安、美國西北太平洋國家實驗室Tom Autrey等合作，在儲氫材料研究方面取得新進展。

氫以其能量密度高、無污染等優點，一直被認為是能量儲存和運輸的理想載體。然而，缺乏安全高效的儲氫介質被認為是氫能應用技術的瓶頸。為此，研究團隊提出了一種新策略：利用金屬的電負性差異，修飾有機儲氫材料的電子性質，合成出了一類新穎的有機—無機雜化儲氫體系——金屬有機化合物。研究人員利用具有較強供電子性質的堿金屬或堿土金屬改性有機儲氫材料，發現其環中電子密度明顯增加，從而有效降低了有機材料的脫氫焓變。同時理論計算表明，通過選擇不同的金屬，可以可控地調變材料的脫氫焓變，從而在熱力學上控制材料的脫氫溫度。這項工作以鈉修飾的苯酚—環己醇為例，計算發現其脫氫焓變可以從64.5kJ/ mol-H2降低為50.4kJ/mol-H2；此外，隨著金屬給電子能力增強，環己醇鈉α位C-H鍵鍵長增加，二者呈線性關系，這說明材料經過有機無機雜化后，已經被活化，并且脫氫過程中α位C-H鍵優先斷裂。

實驗結果發現，苯酚鈉—環己醇鈉體系可以在150℃、商業催化劑下完成可逆儲氫循環，將材料溶解于水中進行儲氫循環反應后，可以進一步將材料的加脫氫溫度降低至100℃以下。這相對于常見的液態有機儲氫材料有明顯的降低，該類金屬有機化合物可以在常溫常壓下存儲和運輸氫氣，避免高壓氣罐帶來的危險。（中國科學報）

中國科學家在鋅-空氣電池研究方面獲得進展

能源是人類文明進步和發展的物質基礎。近年來，隨著化石能源的逐漸消耗和日益突出的環境污染問題，人類對綠色、清潔、可再生能源的需求急劇增長。水分解、燃料電池、金屬-空氣電池等高效、低成本能量存儲與轉換技術的開發已成為研究的前沿領域。其中，鋅—空氣電池使用水系電解液具有低成本、安全、環境友好的優勢，理論能量高達1 084Wh/kg，有望成為新一代儲能設備。根據使用需求，鋅-空氣電池可以做成一次電池、可充放電電池以及柔性電池。鋅-空氣電池的放電過程涉及氧還原反應（ORR），而充電過程涉及析氧反應（OER）。目前Pt基催化劑是優良的ORR催化劑，Ir和Ru基催化劑在OER反應中具有優異的催化性能，但是鉑族元素在地殼中儲量稀少、價格昂貴，穩定性差，且功能單一。因此，開發低成本、高效、穩定的非貴金屬催化劑對于鋅-空氣電池的商業化推廣具有重要意義。

單原子催化劑具有高的本征活性、最大化的原子利用效率以及特定的催化劑結構。近年來，基于單原子催化劑的制備、表征和催化性能研究成為能源、材料和催化領域的研究熱點。非貴金屬的Fe基、Co基、Ni基、Mn基單原子催化劑顯示出優異的電催化性能，有望成為鉑族貴金屬催化劑的替代材料。特別是Fe基單原子催化劑在堿性條件下的ORR反應中具有優于Pt基催化劑的性能，表現出更高的半波電位、更大的極限電流密度和擴散電流密度。

近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所孫春文研究員課題組，韓軍興副研究員等人基于金屬一有機框架材料（MOF）包覆和高溫裂解技術成功制備了單原子Fe基催化劑。該工作以二價的FeSO4作為Fe前軀體；1，10-鄰菲羅啉作為有機配體（Phen），通過與Fe2+離子配位形成有機復合物（Fe-Phen）。在MOF晶體生長過程中，有機復合物分子（Fe-Phen）被原位包覆在具有分子尺寸的納米腔體中，彼此被MOF骨架隔離開。在Ar氣氛下經過900℃高溫焙燒后得到單原子分散的Fe基催化劑。電化學測試結果表明單原子Fe基催化劑在ORR反應中的半波電位高達0.91 V，比傳統的Pt/C催化劑高90 mV，并且優于目前文獻中報道的絕大多數催化劑；電化學活性表面積約是商業Pt/C催化劑的兩倍。將單原子Fe基催化劑用作一次鋅-空氣電池的正極催化劑，電池開路電壓高達1.51 V，優于Pt/C催化劑（1.45 V）；功率密度達到96.4 mW/cm2；以10 mA/cm2的電流密度進行放電，一次鋅-空氣電池可以在1.28 V的放電電壓下穩定運行2 000 min以上。（中國科學院）

高能鋰離子電池“雙重修飾”正極材料合成

近日，長沙理工大學副教授李靈均與廈門大學張橋保、美國阿貢國家實驗室陸俊、內布拉斯加大學林肯分校、布魯克海文國家實驗室等海內外教授及團隊合作完成了一項工作，通過第一性原理計算為指導，同步合成了鈦摻雜、鑭鎳鋰氧化物包覆的“雙重修飾”富鎳三元正極材料。這種簡單高效的合成方法，將有望大大降低高性能富鎳三元材料的生產門檻。成果日前發表在國際期刊《先進功能材料》上。

團隊從分析鈦和鑭在富鎳三元材料表面的遷移勢壘出發，發現鈦摻入體相而鑭逃離至表面的狀態，為體系能量最低的狀態即穩定狀態。根據理論計算結果，他們合理設計并同步合成了“雙重修飾”的富鎳三元材料。材料展現出了良好的熱穩定性、結構穩定性及優異的電化學性能。在60℃高溫循環150次后，雙重修飾材料的容量保持率，比純相富鎳材料提高了近兩倍。在采用全場透射X射線顯微成像對循環前/后的正極材料進行可視化研究后，團隊證明“雙重修飾”可抑制正極材料二次顆粒內微裂紋的產生與循環過程中微裂紋擴展，循環后富鎳材料二次顆粒間Ni3+的不均勻分布得到了有效抑制，從而顯著提升了材料二次顆粒的結構穩定性。

這一發現為富鎳三元材料的開發和應用提供了新思路和理論指導，有助于高能量密度鋰離子動力電池的發展。（科技日報）

新型發光碳材料在光伏封裝行業應用的新進展

光伏發電有望成為未來的主流能源，而無論是目前通用的晶硅電池或者是研究熱門的鈣鈦礦電池，都需要將電池進行封裝，以保證其耐候性及穩定性。封裝材料會對光伏發電的效果有顯著影響，例如封裝用的高透玻璃及封裝膠對紫外波段有極強的阻隔，俗稱光伏器件的光學損失。為了解決以上光學損失問題，課題組利用碳量子點的紫外吸收及高熒光特性，并采用乳液分散法解決了碳量子點在固態下熒光湮滅的難題，制備出的一種固態透明復合材料層，可以通過涂覆等方法固定在組件玻璃上，其熒光轉換效率達到20%。因為碳量子點熒光特性得以保存，用含碳量子點的玻璃可以來調制太陽能光譜，將被阻隔的紫外部分轉變成為可見光，增強了光伏器件的光吸收，進一步提高轉換效率。實驗中的小型晶硅光伏組件的光電轉換效率轉換效率提高了0.4%，尤其是電流輸出得到了提高。（湖南大學）

歐盟大力推進鎂電池研發 將有望替代鋰離子電池

德國烏爾姆亥姆霍茲研究所和卡爾斯魯厄理工學院正在共同開發基于鎂的儲能技術。鎂電池是歐盟“展望2020”科研計劃下的項目，歐盟為此已投資超過650萬歐元，匯集了歐洲10個科研機構的專業技術，未來該項目如取得成功，將有望替代現有的鋰離子電池。

鎂電池與傳統鋰離子電池相比具有更多優點。據烏爾姆亥姆霍茲研究所副主任、該項目負責人馬克西米利·費希特內教授介紹，鎂是后鋰戰略重要候選材料之一，鎂作為陽極材料，允許有較高的能量密度，鎂電池比鋰離子電池儲能效率更高、更便宜、更安全，鎂電池的廣泛可用性，對推動電動汽車和分布式儲能技術發展具有決定性作用。烏爾姆亥姆霍茲研究所與卡爾斯魯厄理工學院以及德國航空航天中心等合作E-MAGIC項目，開展鎂電池電化學概念的研究和設計。烏爾姆亥姆霍茲研究所科學家希望幫助合作伙伴了解材料層面的障礙和挑戰，并找到解決當前障礙的新方法。負責協調固態化學研究的趙志榮博士介紹說，鎂電池面臨的特殊挑戰是使用壽命，這是目前需要重點攻關的內容。但鎂電池確實有許多吸引人的特性，例如，鎂陽極不會形成樹枝狀晶體，電極上的這種電化學沉積物可在鋰離子電池中形成針狀結構，引起干擾甚至短路，而鎂沒有類似的問題，這就是為什么我們可以使用金屬形式的鎂，直接使用金屬鎂可以增加電池的存儲容量，提高電池的性能。除了安全性和能量密度更高之外，地球上的鎂元素比鋰豐富約3 000倍，且回收更簡單。因此，鎂電池比鋰離子電池便宜，也有助于減少電池制造中對鋰原材料的依賴。隨著歐盟在開發鎂電池方面取得進步，還將有助于減少對亞洲電池制造商的依賴，并在歐洲建立具有競爭力的電池制造業。（中國有色金屬報）

青海省新增3條鋰電池生產線

2月17日，青海時代新能源科技有限公司3條磷酸鐵鋰動力及儲能電池生產線投料生產，為青海建成我國重要的鋰電產業基地，打造千億鋰電產業奠定堅實基礎。該項目從設備安裝、調試到運行，以及電力配套建設等只用了45天，開創了西寧經濟技術開發區項目建設速度的新紀錄。2018年青洽會期間，鋰電新能源汽車行業巨頭比亞迪宣布，持續加大對青海投資和完善鋰電產業布局。成功登陸創業板的鋰電動力電池行業巨頭寧德時代相繼表示，在青海追加投資10億元，新增6條磷酸鐵鋰動力及儲能電池生產線項目。經過西寧市政府、開發區管委會的前期項目協調與寧德時代的積極推進，其中3條生產線于2019年1月3日設備進場，從設備安裝到調試及開車運行，僅用了45天時間；南川工業園區管委會為確保項目運行的電力供應，只用了10天時間，就完成10kV供電線路的地勘、設計和施工等全部工作，并實現帶電運行。該項目達產后，時代新能源鋰電動力電池產能6.5GWh，園區總產能達到13.5GWh，為青海千億鋰電產業奠定堅實的基礎。

在此基礎上，開發區及南川工業園區圍繞比亞迪、青海時代新能源等鋰電龍頭企業，大力協調推進后續項目建設，擴大鋰電產業規模。同時，主動對接吉利集團、長城汽車鋰動力電池工廠和深圳德方納米正極材料項目的落地，鞏固和提升園區現有企業規模。（西海都市報）