新能源材料發展現狀及其未來發展展望

郭宇翔

清華大學機械工程系 北京 100000

本文中的新能源材料具有以下三項特點。第一,具備較強的儲存性。第二,能夠承擔轉換的功能。第三,具備較強的支撐作用。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生產和發展的全面革新,從而進一步推動整個能源結構的優化升級,對人類工業文明的向前推進起到了積極作用。

一、鎳氫動力電池應用概況及我國在此方面取得成就

隨著我國環境治理能力和人們環保意識的進一步加強,混動汽車以及新能源汽車成為人們家庭構成重要的選項之一。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和制造生具有較強的技術優勢。動力電池的優勢體現在電池比能量方面,即具有較高的比功率和比能量。比如,Panasonic EVE n－ergy 公司生產的Prius動力電池,其比能量為45Wh/kg,而比功率更是高達1300W/kg。這種電池為日本混動汽車的生產、銷售,提供了強有力的動力,并經受了世界市場的考驗,進一步刺激世界市場的需求。因而,此公司進一步擴大鎳氫動力電池的生產規模。

從現階段的鎳氫電池的出口量而言,我國已經遠遠超過日本。我國的鎳氫電池不僅具有量的優勢,更具有質的提升。以清華大學研究的混合動力電池為例,其生產的鎳氫電池可以為客車提供強有力的輔助。我國具備生產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在以下兩個方面。第一方面,新能源電池的無機儲氫合金的研制。我國使用多元的合金材料。這種材料運用的優勢在于不僅可以優化了材料中的綜合電化學性能,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,我們也應看到這種電池的劣勢,即循環穩定性較差。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,我國在質子交換膜的研制方面取得巨大進展,其主要運用在燃料電池的發動機上。

此外,燃料電池的催化劑研發,在世界各國的共同努力下,取得了飛速進展。其中Pt、Ru及C 催化劑的研發、生產和運用獲得了良好的發展。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也取得了較為突出的成就,從而實現資源的可持續利用。

二、儲氫材料材料特點以及我國在此方面的發展現狀

眾所周知,儲氫材料具有較強的活化性;平衡壓力平坦且適中;適宜溫室操作;具有較強的抗毒性。制約儲氫材料發展的原因是材料的質量分數不高,其中鈦系AB 型合金、AB5型儲氫合金等材料的質量比為2.2%。美國將其質量分數提升到5.5%。顯而易見,研究新型的儲氫材料,提升儲氫材料的質量分數,成為現階段技術發展的主攻方向。我國在儲氫材料的研發方面取得飛速進展,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。即在溫度達到90攝氏度時,這種材料釋放氫的質量分數可達到10.9%,但是其缺陷在于可控放氫的性能較差。

三、SOFC研制現狀、用途以及需要突破的關鍵性技術

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,才能實現電池的啟動和關閉的運作功能。這種嚴苛的工作條件也提升了與之相匹配的材料的生產成本。大部分科學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厚度的功能,實現燃料電池的高功率輸出。第二種,新型陰極材料。這種材料發展尚未成熟,處在研發階段。與上述材料一樣具有較強的電解性,具備與中溫電解質相容的特性。究其原因是受現階段技術的限制,相關科研人員只能運用內重整的方式,提升存放電效率,降低生產成本。這種研制方式會造成陽極的積碳過多,進而導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的與中溫電解質相容的特性。

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任。各個國家應樹立整體意識,組建相應的技術研究機構,充分發揮各個國家的先進技術優勢,研制出適合經濟發展,節約環保的新型能源材料,從而共同面臨人類在生存和發展中的挑戰,促進世界的良性和可持續發展。