新能源化工技術

馬紫峰，賀益君，陳建峰

（1 上海交通大學化學化工學院，上海 200240；2 北京化工大學化學工程學院，北京 100029）

1 發展新能源是實現“碳中和”的必由之路

為實現人類社會發展中能源、資源和環境的可持續發展，在2015 年的《巴黎協定》中提出在21世紀中葉實現全球碳中和。2020年9月22日，中國政府在第七十五屆聯合國大會上莊嚴承諾：中國的二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。據統計，目前我國煤炭資源利用量全球第一、CO2排放總量全球第一、石油進口量全球第一、天然氣進口量全球第一，為保障我國能源資源的有效安全供給，并在未來短短四十年內實現“碳達峰、碳中和”戰略目標，必須進行能源供給側改革、實現結構優化、提升效率、推動產業結構和經濟結構轉型，逐步建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系。大力開發利用可再生能源資源，發展新能源技術是其有效途徑之一。

新能源是指區別于石油、天然氣、煤炭和核能等傳統一次能源的可再生能源，按照我國《可再生能源法》定義，可再生能源包括風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等非化石資源。可再生能源資源的轉換利用基本途徑如圖1所示，可以看出，可再生能源通常轉換為電能、熱能或者燃料供給終端用戶使用。由于風能、太陽能等可再生能源發電的間歇性和不穩定性，儲能系統在新能源高效利用過程中具有重要的地位，氫能作為重要能源載體，可實現可再生能源制氫（綠氫），降低化石資源轉換制氫。生物燃料是生物質資源利用的重要環節。

圖1 可再生能源轉換利用的基本途徑

氫能作為一種清潔能源載體，既可通過化石燃料轉換獲取，也可利用可再生能源轉換，如電解水制氫和生物質轉換制氫。燃料電池是氫能轉換利用的重要裝備，發展高效率、低成本的燃料電池是實現氫能燃料電池應用的關鍵。利用H2與CO2反應生產甲醇等燃料或化學品，可為實現碳減排、碳中和提供一條有效途徑。

化學工程與技術學科是在化石資源開發與轉換利用過程中形成的工程科學，在新能源轉換和利用中依然發揮著重要的作用，不斷豐富、拓展與升華化工學科的內涵。為加速可再生能源利用，促進新能源化工學科發展，讓新能源化工技術為我國“碳達峰、碳中和”戰略目標的實現做出應有貢獻，本文通過新能源轉換、電化學儲能及其系統應用、新能源系統集成和應用的理論探討、案例分析形式，簡述新能源轉換與利用中的相關化工科學問題，旨在拋磚引玉，推動化工、材料、人工智能和新能源交叉融合。

2 新能源化工技術的理論基礎

新能源化工是研究可再生能源轉換、存儲和應用中涉及的“三傳一反”以及相關化學工程科學問題的新興學科。新能源化工技術是連接新能源化學與新能源應用工程的橋梁（圖2），其目的是實現可再生能源資源高效率、經濟性和系統性地大規模應用。新能源化工技術研究涉及電化學工程、光化學工程、生物化學工程、分子化學工程、系統工程和人工智能學等化工基礎及其交叉科學問題。

圖2 新能源化工技術：連接新能源化學與新能源應用工程的橋梁

電化學反應是指電場作用下發生的氧化與還原反應，涵蓋動力電池、燃料電池、水電解制氫、氯堿工業、無機電合成、有機電合成、電化學冶金、電化學加工等電化學技術。電化學工程是研究將實驗室的電化學反應放大到工業生產規模過程中需要深入闡明的傳質、傳熱、傳荷與電化學反應之間的內在關系[2]，其中電化學反應器、電流分布與效率、能量綜合與集成、過程節能與優化是電化學工程研究中需考量的重要指標。以電化學能源材料、器件及系統集成為標志的“電化學能源工程”已成為化工技術創新的前沿領域[3]。

近年來，如何利用取之不盡用之不竭的太陽能，解決人類社會不斷增長的能源需要，發展高效率太陽能轉化與化學品合成技術已成為物理、化學、生物和材料諸多學科研究的熱點[4]。光化學工程是從工程角度探索光化學反應工程、光催化反應熱力學和動力學、光生物化學工程、光能源化學工程等化工基礎問題，其中光催化分解水制氫、光催化CO2還原、太陽燃料合成、太陽能聚熱及其熱化學循環反應等光化學反應過程中的傳熱、傳質、波長效應、光吸收速率等工程特性研究，是光化學工程研究的重點領域。

生物能源是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第4位的能源，是指利用生物可再生原料及太陽能生產的能源，包括生物質能生物液體燃料及利用生物質生產的能源，如生物乙醇、生物柴油、生物質氣化及液化燃料、生物制氫等[5]。目前，作為我國重點培育和發展的戰略性新興產業，生物乙醇工業的生產效率偏低，生產成本偏高。為實現生物乙醇經濟性生產，必須加強生物化工技術創新，并以大數據、數字孿生和區塊鏈等新技術為支撐，推進生物燃料乙醇產業的智能化、安全化發展新模式[6]。

分子化學工程是應用分子科學和分子工程的方法研究化學工程學的規律，旨在工業容器尺度（反應器/分離器）上，實現物質分子尺度上的化學變化與物理過程的精準可控。分子化學工程以量子化學為基礎，從微觀（原子和分子）上揭示化學工程學的本質及其內在聯系的規律，是從分子到工廠的橋梁。通過分子化學工程的深入研究，化學品合成和新材料的發現與制造模式將會發生重大改變，也就是利用計算機和理論計算對材料結構和性能進行預測，在實驗室實現分子的可控制備，利用分子化學工程理論實現工廠的無級放大[7]。

可再生能源資源的開發利用是一個多目標復雜系統工程，涉及物理、化學化工、材料、電力電子、人工智能和自動控制等學科。新能源利用效率、安全與成本的約束及其相關綜合能源系統復雜性，對優化新能源技術體系，調控不同應用場景的新能源系統運行帶來很大挑戰。人工智能賦能流程制造業和新能源產業，可提升各種應用場景的新能源利用效率和經濟性[8-9]。運用化工系統工程知識，建立精準的新能源系統模型，開展基于強化學習的綜合能源管理優化研究，對于提高新能源資源利用效率和經濟性具有重要意義。

3 可再生能源資源轉換過程的化工問題

由于可再生能源種類繁多，新能源轉換方式和技術特點各異。太陽能發電、風力發電、水電解制氫、生物質制氫、燃料電池發電、光電化學反應、CO2資源化利用等過程均涉及眾多化工基礎問題。這里僅以可再生能源制氫、燃料電池發電與化學品共生、太陽能轉換過程簡述之。

3.1 可再生能源制氫過程

可再生能源制氫包括水電解制氫和生物質轉化制氫兩大類。水電解制氫的優點是產氫過程不產生CO 或CO2。目前，水電解制氫過程能耗偏高，每生產1 標準立方米（標方）H2需耗電4～5kWh，單套電解槽產氫氣量最高僅為1000m3/h。2021 年3月，我國寶豐能源公司采用單臺產能1000標方/h的高效堿性電解槽，建成了產氫1×104標方/h 的太陽能發電-水電解制氫綜合示范項目[10]。相對化石能源制氫（俗稱“灰氫”），水電解制氫成本主要取決于電力供應價格。水電解制氫的研究熱點是高活性析氫/析氧電極材料研發，在電流密度一定的情況下降低電極過電勢。開發單臺產氫量更大、電流效率更高的電解槽是電化學工程研究的重要挑戰，也是“綠氫”產業實現商業化應用的關鍵。

生物質轉化制氫包括基于生物質汽化和重整的熱化學轉化法[11]，基于光合成與發酵的生物轉化法[12]。生物轉化法的關鍵為：一是產氫酶的研究；二是將固氮酶和氫化酶催化轉化制氫過程集成；三是將低溫質子交換膜電解池與微生物電解池結合，構建復合型低溫（<100℃）電化學生物質轉化制氫。

3.2 燃料電池發電與化學品共生過程

燃料電池自1839 年格羅夫（Grove）發明至今已有180余年歷史，相較于1859年普蘭特（Plante）發明的鉛酸電池，燃料電池的實用化進程異常緩慢。究其原因是燃料電池的系統能效、技術經濟性、操作便利性和氫氣供應網絡建設的復雜性制約其推廣和大規模應用。作為燃料電池電催化反應的核心，由陽極/電解質/陰極構建的膜電極（MEA）是關鍵[13]。創制高活性、高穩定性電催化劑，研制高性能電解質膜，揭示不同工作溫度條件下燃料電池中多相流體的流動行為與電化學反應動力學，是提升燃料電池系統綜合能源效率、降低系統成本的必由之路。天津大學焦魁等[14]認為，今后燃料電池MEA 中氣體擴散層和微孔層的發展應側重于優化跨尺度和跨組件傳輸，在結構和潤濕性控制方面應與其他組件兼容，同時還對燃料電池系統水和熱管理、MEA材料及其組件改進提出新想法。

從本質上講，燃料電池屬于一類復雜的電化學反應器，按質子交換膜燃料電池（PEMFC）工作原理，當燃料（氫氣、CO 等）在陽極側電氧化轉換成電能的同時，陰極側的氧氣則與質子反應生成化學品（如水、CO2等）。基于此原理，馬紫峰等[15]于21 世紀初就提出燃料電池發電過程與化學品共生設想，并采用PEMFC 反應器，成功實現了硝基苯加氫制環己胺與電能共生。近年來，利用固體氧化物燃料電池（SOFC）和PEMFC進行化學品與電能共生的研究不斷增加[16]，采用固體氧化物電解池（SOEC）進行CO2加氫反應就是該原理的延伸與應用。但是，要實現燃料電池發電與化學品共生過程的商業化，需選擇合適的目標產物，深入研究燃料電池反應器“電生”反應熱力學和動力學，針對有經濟價值的化學品開展相應的電催化劑研究，而燃料電池反應器的工作溫度對于其能量轉換效率和化學品合成收率至關重要。

3.3 太陽能轉換過程之化工問題

太陽能轉換涵蓋自然光合作用、光催化、光電催化、光熱轉換和太陽能電池等，在光催化、光電催化、光熱轉換等轉換過程中，光化學反應器設計和光熱轉換儲熱系統設計均涉及光化學工程和傳熱傳質等問題。太陽能電池中的晶體硅、功能薄膜、鈣鈦礦型材料合成與工程化以及光電轉換器件加工過程都需要解決相關化工技術問題。

李燦[4]致力于太陽能化學轉化研究多年，于2020 年建成全球首個千噸級“液態太陽燃料合成示范項目”。該項目將太陽能發電與水電解制氫過程耦合生產“綠氫”、再將CO2加氫轉化為“綠色”甲醇，為可再生能源到綠色液體燃料甲醇的生產提供一條新途徑。模擬自然光合作用，實現人工光合成與生物固氮反應，發展生物能源是生物化學工程學科的前沿領域。

4 電化學儲能材料與器件制造過程工程特性

隨著可再生能源資源利用占比的不斷提升，儲能系統的應用范圍將不斷擴大。儲能工程已成為化工學科重要分支。儲能技術分為物理儲能和化學儲能兩大類，電化學儲能是近年來儲能技術最活躍的研究領域。本節以鋰/鈉離子電池設計制造過程為例，敘述電化學儲能材料和器件制造過程中的過程工程特性。

4.1 多元過渡金屬氧化物正極材料制備過程

在鋰離子電池正極材料體系中，以層狀結構LiNixCoyMn1-x-yO2（NCM）和LiNixCoyAl1-x-yO2（NCA）為代表的三元材料已得到廣泛應用，目前正處于低鎳向高鎳的轉化期，繼續向更高精尖、高性能方向發展[13]。鈉離子電池是近年來快速發展的新一代儲能電池，通過電極與電解質工程化開發證明，以層狀結構NaFexM1-xO2（NFM）為正極材料的鈉離子電池展現出優異的性能[17]。對于鋰/鈉離子電池應用的層狀結構過渡金屬氧化物正極材料，其多元過渡金屬氫氧化物前體的合成工藝與裝備對材料結構與性能影響很大。目前，多元過渡金屬氫氧化物前體的工業化制備方法為共沉淀法。為提高微納米材料晶體生長效率，以超重力反應[18]、微流控、膜分散反應器或微通道反應[19]為代表的微尺度過程強化技術正在逐步引入前體制備。圖3為各種不同微納米前體制備裝置或原理示意圖。

圖3 共沉淀法生產前體中試線（a）、旋轉填充床（b）和膜分散反應器結構分散機制（c）

以共沉淀法制備NCM/NCA/NFM 前體工藝為例，為精確制備不同過渡金屬（Ni、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Cu、V和Cr等）元素配比和粒徑分布的沉淀物，首先需要篩選合適的過渡金屬化合物、沉淀劑和絡合劑，控制共沉淀過程的反應溫度、pH、投料速度、黏度以及陳化時間等操作參數；其次是研究沉淀反應和陳化過程中流體流動形態對晶體生長過程的影響，指導沉淀反應和陳化過程設備的結構設計與改進。

高溫熱處理是鋰/鈉離子電池電極材料制備過程重要環節。鋰鹽或者鈉鹽與前體等混合后通過高溫焙燒和保溫過程，發生高溫固相反應生成所需要的目標產物。例如，以Fe、FePO4、Li3PO4?H2O 為起始原料，通過高能機械球磨（反應粉碎）與高溫熱處理結合，可實現磷酸鐵鋰（LFP）的原子經濟性合成[20]。最近，馬紫峰等[21]利用同步輻射加速器光源，采用原位X 射線衍射（XRD）技術研究了NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正極材料燒結過程中結構演變規律，為材料熱處理工藝參數優化提供了理論依據。圖4為前體與Na2CO3混合物升溫過程結構相變及其工業化熱處理裝置。

圖4 前體與碳酸鈉混合物燒結過程結構相變（a）及其高溫熱處理設備（b）

4.2 電極構筑及其制造過程工程特性

電極構筑是二次電池和燃料電池實現電化學能源轉換與存儲的核心。對于燃料電池反應器，氫氣、甲醇等燃料在陽極發生電催化氧化反應，氧氣在陰極發生還原反應，其多孔電極中活性物（如Pt/C、PtRu/C、FeN/C 等）分布的均勻性、電極孔結構和導電特性均與電催化活性息息相關。對于鋰/鈉離子電池，層狀結構過渡金屬氧化物（如NCM、NCA 和NFM 等）以及橄欖石型結構LFP 等電極活性物，與導電碳和黏接劑混合后構筑成復合電極，其結構與電極/電解液界面傳輸性能有著密切關系。如何構筑高性能電極成為電化學能源器件制造中的關鍵點。

電極的構筑不僅僅停留在設計上，更重要的是如何實現一致性好的規模化制備。以動力鋰電池的電極制備為例，針對NCM、NCA 和LFP 等不同結構的正極活性物，其電極漿料的組成設計各異，LFP由于導電性較差，電極漿料配方中會添加較多的導電劑，碳納米管已經成為標配的導電添加劑。電極漿料和電極涂布過程屬于典型的化工單元操作。例如，電極漿料采用攪拌式反應釜制備，如何提供高速剪切力使固體粉料與溶劑、黏接劑和導電劑充分混合并形成流變性好、活性物分散均勻的電極漿料，攪拌式反應釜的攪拌槳結構、混合溫度和攪拌速度控制是關鍵[22]。電極涂布采用隧道干燥器連續拉伸涂布，電極漿料通過擠壓或者轉移涂布方式均勻涂覆在鋁箔或銅箔表面，在干燥室內連續運動過程中使溶劑揮發并回收利用。

4.3 刀片電池設計啟示及電池安全性

刀片電池是比亞迪開發的新穎動力鋰電池，以大容量、高安全性著稱。與傳統動力電池相比，刀片電池的外形尺寸有著顯著差別[如圖5(a)]，刀片電池狹長，長度435～2500mm，而厚度只有13.5mm，這樣的結構可大幅提高電池體積利用率和能量密度，改善電池散熱性能，電池系統的安全性顯著提高。

刀片電池不是材料體系創新，而是電池設計、生產和加工工藝革新。刀片電池設計是基于電極/電解質界面荷電傳輸及電池產熱和傳熱機制研究，利用計算機仿真模擬對電池結構的優化。為提高電芯容量，有人采用外形帶有散熱翅片的塑殼電池[圖5(b)]，其單體容量可超過200Ah，但能量密度偏低。刀片電池的出現為動力電池改良設計打開新的視角。

圖5 刀片電池與普通動力鋰電池結構比較

5 新能源系統集成與應用

以電能為核心，在源端整合太陽能、風能、生物質、氫能、燃料電池和儲能系統，在終端實現冷、熱、電聯供的綜合能源系統（integrated energy system,IES）已成為全球新能源開發的熱點。從新能源轉換與儲存器件到系統集成，過程建模、仿真與優化等化工系統工程技術得到新的應用，人工智能、5G 等互聯網與信息技術在以新能源為核心的IES中將發揮重要作用。下面以電池狀態預測、綜合能源系統管理和光-儲-充系統集成應用為例簡述。

5.1 電池狀態預測模型構建

為提高動力與儲能電池應用系統效率和安全性，實現智能控制和安全運行，精確預測電池的荷電狀態（SOC）、健康狀態（SOH）和功率狀態（SOP）等狀態參數至關重要。針對鋰/鈉離子電池充電特征曲線和交流阻抗特性，馬紫峰等[23]運用化工系統工程方法，開展了電池管理系統（BMS）設計理論研究。首先，通過鋰離子電池電極反應動力學及充電特征曲線分析，提出了基于高精度模型的電池狀態估計方法框架。然后，基于電池老化機理分析，提出多種容量衰減趨勢自適應解耦策略，建立了具備參數在線更新功能的多尺度高斯回歸耦合模型。最后，以美國宇航局（NASA）愛姆斯中心的標準鋰電池數據對該模型有效性進行驗證，結果表明，所開發的SOH 預測模型精度達到97%，比國際先進指標提高約5%。

針對電池SOC 動態變化特性，研究者還開發出基于滾動時域優化的鋰電池模型參數以及SOC自適應聯合估計技術，SOC 估計精度最高可達99%，為全生命周期內鋰電池的SOC精準估計提供解決方案[24]。同時，還建立鋰電池建模與評估云平臺，為比亞迪、南方電網和國家電網的儲能系統管理提供有力支持。

針對鈉離子電池特點，從SOH 時序測量數據出發，提出基于雙指數模型的粒子濾波法和基于小波分析的高斯過程回歸法，實現了鈉離子電池單步SOH和剩余可用壽命（RUL）預測[25]。

5.2 基于強化學習的綜合能源系統管理

隨著全球能源供應多元化，加強對IES的管理不僅能夠提高能源利用率，減少對環境的破壞，也能提升經濟發展質量和效益。IES的大規模區域互聯使其逐漸發展成為大型高維系統，間歇性的可再生能源和電動汽車、分布式儲能設備等柔性負載的接入，增加了IES的復雜動態特性[26-27]。IES形式多樣，大致可分為固定式和移動式兩大類型。固定式IES包括智能微電網、家庭能源和基于動力鋰電池或燃料電池的電動汽車充電或加氫系統等。將燃料電池和蓄電池組合的IES可顯著提高新能源汽車動力系統的能源效率和可靠性，有效延長汽車的續航里程。最近，將甲醇重整制氫高溫PEMFC 與鈉離子電池組合，構建了一種新穎的IES，可供移動通信基站、海島和邊防哨所應用[28]。

針對IES的高度不確定性，傳統優化方法需要對不確定因素提前預測，并利用動態場景生成方法對環境進行估計，再進一步建立系統的動態模型。這類方法計算量大、預測結果偏差較大。作為人工智能一個重要分支，強化學習（reinforcement learning,RL）因其強大的自主學習能力、無模型依賴性、變量復雜性等優點，已成為處理IES管理問題的重要手段。針對IES變量的高維度特性，可采用多層馬爾可夫決策過程（Markov decision process，MDP）模型對IES進行分層優化，在面對具有連續動作和狀態空間的問題時，還可以與具有出色數據處理能力的深度學習相結合，構成深度強化學習(deep reinforcement learning, DRL) 算法，進而求解得到具有高維變量的IES 最優管理策略。錢鋒等[29]從模型和算法兩個層面，歸納總結了強化學習求解IES管理的問題。在模型方面，把綜合能源管理問題分為電力系統和IES管理問題，在電力系統管理中討論了智能微電網、家庭能源和電動汽車三個電能優化管理問題。在算法方面，分析了各類問題中用到的不同強化學習算法，從多時間尺度特性、可解釋性、遷移性和信息安全性四個方面提出獨特見解。

5.3 光-儲-充系統集成與優化運行

光-儲-充系統是可再生能源應用的一種重要模式，在城市智慧能源互聯網建設中起到重要作用。在光-儲-充系統設計中，光伏發電設備與儲能器件選型與容量配置是核心。光伏電池工作溫度與輸出功率的精準預測是保障光伏系統高效、安全、長壽命運行的關鍵。賀益君等[30]基于先驗知識推導出通用性工作溫度模型架構，然后根據RBF神經網絡對模型中的未知因子進行建模修正，并將所提模型與功率預測模型耦合后，使光伏電池發電功率預測模型精度提升了17.3%。基于構建的光伏電池精準模型和儲能系統老化模型，針對上海市某商業區光-儲-充系統設計，引入負荷預先調度策略，其系統設計與調度集成優化模型結構如圖6。

圖6 光-儲-充系統設計與調度集成優化模型結構

6 結論與展望

通過對可再生能源制氫、燃料電池發電與化學品共生、太陽能轉換、動力與儲能電池材料制備等過程的工程特性分析，結合電池設計及其狀態預測模型構建，可以發現，新能源轉換與存儲過程的關鍵材料及器件，以及基于新能源的綜合能源系統開發都離不開化工、材料和系統工程科技的交叉融合與創新應用。電化學工程、光化學工程、生物化學工程、分子化學工程、材料化學工程、化工系統工程等學科交叉融合，對揭示可再生能源資源轉換與利用中的科學規律，形成新能源化工特色的理論具有重要作用。新能源化工技術進步將為提高可再生能源利用效率，促進可持續綜合能源系統發展，實現我國碳中和戰略目標提供堅實基礎。

從可再生能源制氫和太陽能轉換，到燃料電池和動力電池等電化學能源器件的工程化實踐證明，生物質制氫、燃料電池、太陽能化學轉化、鋰/鈉離子電池均屬于復雜的“生物/光/電化學反應”過程，將這些新能源化學反應從實驗室放大到規模化生產裝置，需開發新能源化學反應所需的關鍵材料及其規模化制備技術。從分子化學工程角度，深入闡明新能源化學反應中的傳質、傳熱、傳荷機理，揭示其反應工程特性，設計功能性各異的新能源化學反應器至關重要。

從新能源化學基礎研究到實現新能源工程應用，新能源化工技術起到承前啟后的橋梁作用。新能源的轉換存儲與利用是一個復雜巨系統，其效率、安全與成本的約束及其相關綜合能源系統復雜性，對優化各種新能源技術體系、調控不同應用場景的系統運行帶來很大挑戰。

對于未來新能源化工技術研發，將從新能源轉換存儲和利用過程的“共性科學問題”和“關鍵技術”兩個層面展開，建議開展的共性科學問題和關鍵技術包括但不限于以下幾個方面。

共性科學問題：①新能源化工熱力學，包括新能源轉換與存儲體系熱力學、綜合能源系統?分析及新能源材料理論設計與計算等；②新能源分子化學工程，包括從原子和分子尺度揭示新能源化學反應規律，發展過程強化新方法，實現分子到工廠無級放大過程開發；③新能源材料化學工程，指以新能源材料和器件為導向的化學工程科學及其內在規律；④新能源系統工程學，基于新能源的綜合能源系統集成與優化方法，人工智能在新能源系統制造與運行管理中的應用。

關鍵技術：①新能源材料的規模化可控制備過程及裝備技術；②大容量、高效率和低成本的水電解制氫技術；③典型新能源化學反應器的優化設計制造技術；④大規模、低成本儲能器件及新型儲能技術；⑤基于新能源的綜合能源系統優化與智能控制技術。