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新能源材料

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美國将建世界最大风力发电机

美国风能产业飞速发展。在过去9年,美国可再生能源的总量增长了3倍多,其中风能和太阳能占多数。现在,他们计划利用更多的风能,而降低其成本的最佳方式之一是建造更大的风力发电机。这正是由弗吉尼亚大学研究人员带领的包括6个机构在内的联合团队正在设计全世界最大的风力发电机的原因,该风力发电机机高500m,比美国帝国大厦还高约57m。

风能专家表示“越大越好”还有另外一个原因:更长的叶片还能更有效地捕捉风能,而更高的塔楼则能拥有更长的叶片。风力发电机的电量与其“扫略面积”——风机叶片旋转所覆盖的区域——直接相关,马萨诸塞大学罗威尔分校风能中心主任、机械工程师Christopher Niezrecki解释说。这一关系并非线性的,如果叶片长度加倍,Niezrecki解释说,一个风力发电系统将能产生4倍的能量。他指出,更大风力发电机的“切入”速度——它们能够开始产生能量时的风速——也较低一些。Loth团队计划设计一个拥有200m长度叶片的50MW风电发电系统,如果能够成功,该风力发电机的能量将会比现有设备强10倍。不过科学家并不打算仅扩大传统设计的规模,他们想改变的是风力发电机的结构。风力发电机通常有3个叶片,但是为了减轻风机重量并降低成本,这个超大风力发电机将叶片数量缩减到两个。Loth说,减少叶片的数量通常会让一个风力发电机降低效率,但他所在团队正在利用一个先进的风机气动设计,该设计可以在很大程度上弥补相应的损失。(中国风能协会)

无毒材料让新太阳能电池脱毒

英美跨国团队已经用理论和实验方法,成功将周期表中的“绿色元素”铋应用在低成本太阳能电池上,光转化效率达目前市场最高水平,且避免了铅基电池的毒性。前覆盖在屋顶上的大多数太阳能电池的主材料是硅,虽然其在光与能量的转化方面效率较高,但必须确保非常高的纯度,才能进行密集的能量转化,但这一特性使其生产成本居高不下。过去几年中,研究人员一直在寻找相似或更好的替代材料,其中最有希望的组合是“混合卤化铅钙钛矿”,它具有便宜、易于生产、像硅一样高效等优势,似乎能够引领太阳能电池领域的革命。然而,钙钛矿太阳能电池在科学界一直有争议,原因在于这类电池中的铅物质可能对人类、动物和环境构成切实的危害。为此,全球从事太阳能电池材料研究的科学家,始终没有停止寻找新的无毒材料,希望可以替代钙钛矿太阳能电池中的铅。

此次,英国剑桥大学卡文迪许实验室、美国麻省理工学院、美国国家可再生能源实验室和科罗拉多矿业学院的研究人员组成的团队发现,在周期表中与铅毗邻的铋,或许可以取而代之。它虽为重金属,但属性无毒,是一种“绿色元素”,被广泛应用于化妆品、个人护理用品和药品。研究团队的成果显示,碘氧化铋在空气中可以保持稳定长达197天,较铅卤化钙钛矿有明显改善。科研人员认为,基于铋的太阳能电池元件,可以使用常规的工业技术进行低成本和规模化制造。(科技日报)

深圳先进院研发出新型低成本双碳钾离子电池技术

近日,中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究员唐永炳及其研究团队成功研发出了一种新型高性能、低成本双碳钾离子电池,相关研究成果已在线发表于能源材料期刊Advanced Energy Materials上。

锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备、储能设备等领域。但随着锂离子电池逐渐应用于智能手机、电动汽车等领域,锂的需求量逐年快速增长,而锂的全球储量有十分有限且分布不均,造成原材料价格上涨迅猛,严重制约了我国低成本、高性能储能器件领域的快速发展。钾元素由于具有和锂相似的物理化学性质,且其储量丰富,成本低廉,且与钠相比具有更低的氧化还原电位,使得基于钾离子的二次电池体系受到广泛关注。此外,近年来,双碳电池由于其正负极都采用环保廉价的石墨材料,具有成本低廉、工作电压高等优势,受到业界广泛关注。

结合钾离子电池与双碳电池各自的优点,唐永炳及其团队成员季必发、张帆等人成功研发出一种新型高性能、低成本、环保友好的双碳钾离子电池。该电池采用中间相碳微球为负极,膨胀石墨作为正极;电解液采用廉价易得的六氟磷酸钾作为钾盐电解质溶于有机溶剂中。其反应机理为:充电时,电解液中的钾离子运动到中间相碳微球负极表面,并嵌入至石墨层中,同时六氟磷酸根阴离子插层到正极石墨中;放电时,钾离子从负极石墨层中脱出,同时正极石墨中的六氟磷酸根脱嵌回到电解液中。研究表明,该新型廉价双碳钾离子电池的放电中值电压高达4.5V,单个纽扣电池就能同时点亮2颗LED灯,并且电池充放电循环100圈后,容量几乎没有衰减,使得其可以满足高电压器件的要求。相对于现有传统锂离子电池技术,该新型电池将大幅降低生产成本,还具有环保友好、安全性高、能量密度相对较高等优点,因此在大规模可再生清洁能源储存、通讯备用电源等领域具有广泛的应用前景。(中国科学院)

纤维素介孔电解质膜:用于制备高性能柔性超级电容器器件的电解质材料

由于便携式电子器件突飞猛进的发展,柔性薄膜型储能器件特别是柔性全固态超级电容器能够实现能量供给的同时兼具柔性、超薄甚至透明特性而广受关注。聚合物电解质作为柔性超级电容器中重要组分之一,具有电解质和隔膜的双重功能,促进了便携式和可穿戴式电子设备的储能系统的开发。聚合物电解质膜由于其高离子电导率、宽电化学窗口和使用安全性而引起越来越多的关注,然而传统的聚合物电解质膜通常既非来源于可再生资源也不能生物降解,往往还涉及复杂的制备过程,对其广泛应用造成一定影响,已不能满足新型全固态超级电容器的高性能、柔韧性与环保性要求,迫切需要发展一种简单的策略制备高性能和可降解的聚合物电解质材料。

纤维素是一种来源广泛的天然高分子物质,具有可再生、可降解、热稳定性强、机械强度高等突出特点。文献已报道了以纤维素衍生物复合膜(醋酸纤维素、甲基纤维素、硝基-甲基纤维素等)作为隔膜材料应用于锂离子电池、锂硫电池、铝空电池等储能器件中,但直接以纤维素为原料制备高离子导电性的聚合物电解质膜并应用于柔性全固态超级电容器等储能器件尚少有报道。近期,东北林业大学于海鹏教授研究团队报道了一种可用于高性能柔性全固态超级电容器器件的新型纤维素介孔膜。采用一种简单并可扩展的制备策略,首先以相转化的方法制备了纤维素的溶解液,然后对纤维素溶解液再生成水凝胶膜,并借助微孔膜的作用形成具有均匀介孔结构的纤维素电解质膜(mCel膜)。所制得的mCel膜具有高孔隙率(71.78%)、高透明性、极好的柔韧性和机械强度,经氢氧化钾(KOH)溶液浸润后还具有极高的电解液保留率(451.2%)和离子传导性(0.325S/cm)等优点,这些特性是首次在单种可再生和可降解材料中得以全部实现。基于这些特点,以mCel电解质膜和活性碳电极组装的柔性全固态超级电容器能够展示出较高的比电容、高的倍率性能和良好的稳定性(循环10 000次后的电容保留率为84.7%)。这种电解质膜另一个突出的应用价值在于,可以在不使用粘合剂和复杂装置的条件下,将电极材料直接沉积到mCel膜上。mCel膜在其中起到了柔性基体与聚合物电解质的双重身份,便于简单地集成制造出各种图案造型的微型超级电容器。组装的微型超级电容器表现出非常好的柔韧性和电化学储能性能,即使在大尺度反复弯曲状态下也依然保持整体结构的完整性。以上结果表明,这项研究提出了一种简单有效且可扩展的方法,为制备柔性可生物降解的纤维素介孔膜以及便携储能装置指出了一个潜在发展方向。(中科院上海硅酸盐研究所)

有机—无机杂化钙钛矿太阳能电池研究获进展

近日,中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心熊奕敏课题组副研究员曹亮与中科院上海应用物理研究所高兴宇课题组、苏州大学孙宝全课题组合作,发现提高有机-无机杂化钙钛矿薄膜结晶相纯度尤其是表面结晶相纯度,能有效消除钙钛矿太阳能电池器件迟滞效应和提升器件性能,并且器件迟滞效应的消除并不依赖于器件结构。此项研究揭示了钙钛矿结晶相纯度尤其是表面结晶相纯度对器件J-V迟滞效应有重要影响。

探索新能源材料及器件、利用太阳能应对能源危机已成为一项重要课题。在短短的几年内,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已提升到22.1%,接近单晶硅太阳能电池的光电转化效率(26.3%)。因而,有机-无机杂化钙钛矿材料被认为是下一代太阳能电池材料的有力竞争者。然而,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池走出实验室实现产业化和商业化仍存在一些问题,如提升高效器件的稳定性、降低迟滞效应及实现大面积制备等。目前广泛报道的快速退火方法制备的钙钛矿太阳能电池器件的J-V曲线表现出明显的迟滞效应。论文研究人员利用上海光源的掠入射X射线衍射(GIXRD)对制备的CH3NH3PbI3-xClx薄膜进行了系统表征。通过改变X射线的探测深度发现钙钛薄膜结晶相不纯,尤其是薄膜表面存在明显的多相结构。为了明确有机-无机杂化钙钛矿薄膜结晶相纯度,尤其是表面相纯度对器件迟滞效应和性能的影响,研究人员通过优化后处理条件提高了的CH3NH3PbI3-xClx薄膜的结晶相纯度,消除了薄膜表面的多相结构。基于此类薄膜的器件未表现明显迟滞效应,且光电转换性能得到进一步提升。值得说明的是,器件迟滞效应的消除并不依赖于器件结构,即正式N-i-P结构或反式P-i-N结构,揭示了钙钛矿结晶相纯度尤其是表面结晶对器件J-V迟滞效应和性能有主要影响。结合XPS和SEM结果,充分说明有机-无机杂化钙钛矿薄膜表面结晶相纯度影响表面或者晶界处低配位的Pb和I离子。这些离子作为电荷陷阱,导致迟滞效应及低光电转化效率。因此,提高钙钛矿薄膜的结晶性、尤其是表面的结晶相纯度,有利于开发高性能无迟滞有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池。(中国科学院合肥物质科学研究院)

北京“十三五”能源發展规划:推进顺义、海淀、亦庄国家级光伏应用示范区建设

日前,北京市人民政府发布了关于印发《北京市“十三五”时期能源发展规划》(以下简称“《规划》”)的通知。其中,涉及光伏行业的内容有:《规划》表示,以太阳能和地热能利用为重点,实施金太阳、阳光校园等示范工程,加快延庆、顺义等一批国家级可再生能源示范区建设,出台分布式光伏奖励、热泵补贴等鼓励政策,可再生能源利用由试点示范向规模化应用转变。2015年,可再生能源利用总量达到450万t标准煤,比2010年翻了一番,占能源消费比重提高到6.6%。全市光伏发电装机容量16.5万kW,太阳能集热器800万m3,地热及热泵供暖面积5 000万m3,风电装机容量20万kW,生物质发电装机容量10万kW。以国家级研究机构和龙头企业为主体,加强国家实验室、国家工程(技术)研究中心和实证测试平台建设,重点攻关高效储能、智慧融合控制等关键技术,进一步提升风电、光伏等领域装备研发水平,加快推动重大科技成果交易转化,提升产业链核心竞争力。增强先进技术对可再生能源创新发展的支撑作用。重点功能区。加快推进昌平新能源示范城市建设,进一步扩大太阳能、地热能和余热利用规模,到2020年,全区可再生能源利用比重超过15%。深入推进顺义、海淀、亦庄光伏应用示范区建设,在既有工业厂房、公共建筑实施分布式光伏系统项目,不断扩大新建建筑分布式光伏应用规模,优化局域电网调配和消纳管理技术,提升分布式光伏智能化应用水平,到2020年,分布式光伏发电应用示范区新增发电装机容量超过40万kW,占全市新增规模40%以上。(北京市人民政府网)

新型锂离子电池负极材料制备获进展

近年来,纳米多孔金属有机骨架化合物(MOF),在气体吸附和分离、多相催化、传感器和微反应器等方面展现出较好的应用前景。日前,中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室轻金属与电池材料组,合成了一系列过渡金属氧化物及其复合材料。

轻金属与电池材料组研究员王立民谈到:“该类材料具有高的放电比容量和良好的循环稳定性,在MOF模板合成锂离子电池负极材料方面取得了系列研究进展,相关研究结果发表在多个学术期刊上。

研究人员发现,采用共沉淀技术可以有效地将金属阳离子吸附到具有优良导电性的碲纳米线表面,加入有机配体溶液后,配体与碲纳米线表面的金属离子配位形成MOF晶核,晶核生长成为MOF晶体,最终将碲纳米线原位嵌入到MOF中。经过热处理后,可制备出具有等级多孔结构的多金属氧化物纳米复合材料。该类纳米复合材料在0.01~3.0V电压范围,以100m/Ag电流密度充放电100次后,比容量稳定在956mAh/g以上;当充放电流密度为2 000m/Ag时,比容量仍高达307mAh/g,显示出优良的电化学储能特性。(中科院上海硅酸盐研究所)

锂硫电池电解液材料研究取得新进展

近日,中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员张华民、李先锋和副研究员张洪章团队,利用“低多硫化锂溶解度(Ksp)抑溶效应”固定多硫化锂和“界面聚合成膜效应”保护金属锂,设计、制备出兼具高稳定性、高安全性和高容量发挥的电解质溶液,并实现了其在锂硫电池器件中的应用。

锂硫电池因具有较高的能量密度和低廉的成本,是目前国际研究热点之一。多硫化锂的“飞梭效应”和金属锂“界面不稳定”是锂硫电池面临的关键挑战。一直以来,科研人员使用硝酸锂添加剂来解决上述问题,但是硝酸锂、炭黑、单质硫共存的电池体系存在安全隐患。该研究团队首次设计出一类不含硝酸锂的高性能电解液,兼具较低的Ksp、较高的锂离子传导率、较高的单质硫利用率和优异的金属锂界面稳定性。采用该电解液组装的4 000mAh锂硫电池器件,其比功率可达60W/kg,比能量可达350Wh/kg,且能稳定循环30次以上,此技术有望使太阳能无人飞机连续飞行1个月。该工作为锂硫电池电解液材料的设计制备提供了新思路。(中国科学院大连化学物理研究所)

中兴新材锂离子电池隔膜研发生产基地落户武汉

7月6日,深圳中兴创新材料技术有限公司(下称“中兴新材”)与武汉临空港经开区签署协议,中兴新材锂离子电池隔膜研发生产基地落户武汉临空港经济技术开发区。中兴新材是中兴集团继通讯、环保、金融等领域后在新能源领域的又一重点投资项目。其产品主要包括单向拉伸隔膜及陶瓷、有机等不同涂覆工艺结合的锂电隔膜。此次签约,就是要加快、协调推进中兴新材武汉研发生产基地建设,武汉临空港经开区将为中兴新材提供全程绿色通道,让中兴新材武汉研发生产基地早日落地生根,开花结果。(武汉临空港报)

上海研制成功太阳能热发电关键设备高温双罐熔盐储热系统

由上海电气集团股份有限公司中央研究院研制的高温双罐熔盐储热系统,通过与电气集团下属多家企业的通力合作,历经近3年的科研攻关与研制,取得成功突破。通过本项目建设的高温双罐熔盐储热示范系统,模拟了光热电站的熔盐储换热系统,测试了熔盐管内对流换热系数,积累了熔盐系统启停及运维经验,目前已为多家企业提供了熔盐物性及腐蚀特性测试等服务,为光热电站熔盐储热系统的设计、建设和运行打下了坚实的基礎。该项目在设计/运行温度、防冻堵策略、智能控制等关键性能指标方面均达到了国内先进水平。

由于该系统所用熔盐在220℃会发生凝固,从而在系统启动、停机等工况下易发生冻堵,造成系统运行失败。该项目从设备选型、系统设计、工艺流程等多方面着手,通过高低温罐、熔盐换热器、阀门及管路等的优化设计,防止了系统冻堵的发生,形成了一套预防熔盐冻堵的策略,确保系统在300~550℃范围内正常运行。该系统在研制期间共申请5项专利。

目前,电气研究院正在对该系统的应用范围做进一步的拓展,着重关注“煤改电”、“弃风弃光熔盐蓄热供暖”等项目,为国家节能环保提供了一种新的思路。(上海市经济和信息化委员会)

北京顺义签57亿元新能源大单将建动力电池产业化基地

北京市顺义区内15万辆北汽自主品牌新能源汽车已下线。7月31日,顺义再签57亿元新能源智能产业大单,将建动力电池产业化基地。届时,北京市新能源整车的电池配套问题将得到解决。该项目将建设8GWh电池芯工厂、5GWh PACK工厂、3GWh梯次利用工厂及总部研发中心,打造国内领先的智能化新能源总部研发及动力电池产业化基地。

据介绍,目前本市新能源汽车整车与零部件体系基本建立,但动力电池供应不足依然是产业链当前最大的瓶颈。项目建成后,新能源整车的电池配套问题将得到解决。据悉,该项目于2019年投产,2022年全部达产,届时项目年产值近150亿元。

同时,项目还将吸引正负电极、电机电控、电池包等上下游高附加值环节落户,使新能源汽车产业链不断完善。据介绍,顺义作为首都汽车工业制造大区,依托千亿级汽车产业基础,重点打造智能新能源汽车产业。目前,区内15万辆北汽自主品牌新能源汽车已经下线,北京现代将陆续推出纯电动汽车新产品。与此同时,北汽研究院、长城华冠、国家汽车质量监督检验中心等机构具备一流的汽车研发、设计和检测水平;海纳川底盘等一批零部件加速集聚;顺义还出台了助力新能源汽车发展的配套政策,在全市范围内率先推出新能源汽车补贴政策。(中新网北京站)


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