中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：能源是推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)步的根本物質(zhì)基礎(chǔ)，在環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻和化石能源儲(chǔ)量日益枯竭的條件下，地球已經(jīng)難以為不斷增長(zhǎng)的能源需求買單。這時(shí)候，以納米材料為主的新材料開發(fā)，為人類獲取、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、分配和管理可持續(xù)清潔能源帶來(lái)了曙光。新材料為新能源生產(chǎn)、電能和化學(xué)能儲(chǔ)存、提高能量效率以及實(shí)現(xiàn)更好的能源管理體系起到了決定性的推動(dòng)作用！
有鑒于此，1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)第12任能源部部長(zhǎng)、斯坦福大學(xué)教授朱棣文、斯坦福大學(xué)教授崔屹和斯坦福大學(xué)Nian Liu博士在最新的Nature Materials中，就新材料對(duì)光伏器件、電池、太陽(yáng)能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換三大可持續(xù)能源系統(tǒng)的研究展開了深入討論，并展望了新材料今后在可持續(xù)能源應(yīng)用中的研究方向。
圖1.朱棣文、崔屹和Nian Liu
自工業(yè)革命以來(lái)，尤其是1950年以來(lái)，化石能源的燃燒帶來(lái)大量溫室氣體排放，譬如CO2、CH4、N2O以及含氟氣體等。溫室效應(yīng)導(dǎo)致大量的干旱、洪災(zāi)、海平面上升，以及諸多不可預(yù)測(cè)的災(zāi)難。
老子曰：不諳變通者，必將毀于執(zhí)。開發(fā)可持續(xù)清潔能源，是人類社會(huì)不至于毀滅的當(dāng)務(wù)之急和根本策略。根據(jù)目前可預(yù)測(cè)情況來(lái)看，未來(lái)可持續(xù)清潔能源將極大地依靠MOF、催化劑等納米材料來(lái)實(shí)現(xiàn)碳捕獲、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化、電動(dòng)汽車的全面推行、建筑物的低碳化以至于最終實(shí)現(xiàn)碳的零排放?！ ?
圖2. 未來(lái)可持續(xù)清潔能源體系
一、從光伏器件來(lái)看
太陽(yáng)能模塊的價(jià)格已經(jīng)從2008年的3美元/W降低到2016年的0.5美元/W（按照1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度產(chǎn)生1 W計(jì)算）。2011年，美國(guó)能源部太陽(yáng)能技術(shù)方案(SunShot)計(jì)劃，到2020年實(shí)現(xiàn)發(fā)電整體成本達(dá)到0.06美元/kWh（工業(yè)）和0.09美元/kWh（住宅），到2030年實(shí)現(xiàn)發(fā)電整體成本達(dá)到0.03美元/kWh（工業(yè)）和0.05美元/kWh（住宅）。
在迪拜等太陽(yáng)輻照強(qiáng)的地方，現(xiàn)在太陽(yáng)能發(fā)電整體成本已經(jīng)達(dá)到0.03-0.04美元/kWh?！ ?
圖3. 太陽(yáng)能面板
受荷葉啟發(fā)，基于納米結(jié)構(gòu)材料的自清潔、防污、防冰、超疏水表面即將解決太陽(yáng)能模塊表面變臟和水汽干擾，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)冰、海洋船只船體腐蝕防污等一系列問(wèn)題。
太陽(yáng)能綜合利用正在穩(wěn)步前進(jìn)中……
圖4. 光伏技術(shù)舉例
二、從電池來(lái)看
安全、高效、耐用的可重復(fù)充電電池是電動(dòng)汽車和電網(wǎng)應(yīng)用的重要方向，現(xiàn)有電動(dòng)汽車電池比能量已經(jīng)達(dá)到200-250 Wh/kg。美國(guó)能源部計(jì)劃，2022年實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池組件價(jià)格達(dá)到125美元/kWh。而Battery500聯(lián)盟則提出了更為的宏偉目標(biāo)：比能量達(dá)到500 Wh/kg，使用壽命十年，總續(xù)航里程達(dá)到15萬(wàn)英里。
在電網(wǎng)領(lǐng)域，高能量密度并不是最重要的，性能穩(wěn)定性是首先需要解決的問(wèn)題。美國(guó)能源部的目標(biāo)是：重復(fù)循環(huán)使用6000次，使用壽命超過(guò)20年。
在交通運(yùn)輸工具和日常電子器件領(lǐng)域，鋰離子電池是目前主流能源技術(shù)。以石墨為負(fù)極，以Li-M-O（譬如LiNixCoyMnzO2 (NMC), LiMn2O4 ,LiFePO4 和Li4Ti5O12）為正極的鋰離子電池已經(jīng)在電動(dòng)大巴車上投入使用。其主要問(wèn)題在于：負(fù)極電勢(shì)太高，能量密度較低。
圖5.Tesla Model S
就鋰離子電池負(fù)極而言，誘惑較大的主要有Si和Li金屬兩種材料。1) Si的比容量是石墨的10多倍（Si：4200 mAh g-1，Li4.4Si：2100 mAh g-1, 石墨：372 mAh g-1），但是體積變化導(dǎo)致其壽命較差。2) Li金屬材料比容量高達(dá)3860 mAh g-1,作為鋰離子電池負(fù)極材料也是潛力無(wú)限。其主要問(wèn)題在于枝晶產(chǎn)生，導(dǎo)致循環(huán)庫(kù)倫效率低，使用壽命較短。
就鋰離子電池正極而言，經(jīng)過(guò)不斷研究，LiNixCoyMnzO2已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了250mAh g-1的比容量，但是化學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性還有很大的提升空間。除此之外，誘惑較大的主要有S正極（比容量約1700 mAh g-1）和O2正極（比容量約1700 mAh g-1， Li2O2）。但是Li-S電池和Li-O2電池也存在穩(wěn)定性差和使用壽命較短的問(wèn)題。
圖6. 基于納米技術(shù)的電池電極材料
過(guò)去十多年來(lái)，以崔屹教授為代表的納米材料科學(xué)家基于納米技術(shù)開發(fā)了一系列正極、負(fù)極、安全性能解決方案，對(duì)新型鋰離子電池的大力發(fā)展起到了重要推動(dòng)作用。
除了Li離子電池之外， Na離子電池、K離子電池和Mg離子電池等也在不斷開發(fā)。
圖8. 智能電網(wǎng)
對(duì)于電網(wǎng)而言，成本、規(guī)?；约伴L(zhǎng)期使用壽命是尤為重要的，流體電池在這方面表現(xiàn)出極大的潛力。問(wèn)題主要在于：離子交換膜的成本較高，穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提升?！ ?
圖9. 流體電池技術(shù)
三、從太陽(yáng)能和化學(xué)能源轉(zhuǎn)化來(lái)看
雖然太陽(yáng)能光伏器件和電池取得了很大的進(jìn)展，但是其在體積能量密度和質(zhì)量能量密度上遠(yuǎn)不及化石能源，差不多是化石能源的1%。隨著發(fā)電價(jià)格降低到0.02-0.03美元/kWh，通過(guò)水裂解和CO2還原等催化反應(yīng)儲(chǔ)存高價(jià)值化學(xué)品，并將大量電能以化學(xué)燃料的形式儲(chǔ)存將同步實(shí)現(xiàn)?！ ?
圖10.能源催化材料（LixMoS2用于HER，Pt3Ni用于ORR）
四、新能源材料研究方向
材料科學(xué)在可持續(xù)清潔能源領(lǐng)域的重要性不言而喻，過(guò)去十年來(lái)也取得了許多重大突破。之前許多新材料的開發(fā)都是屬于偶然發(fā)現(xiàn)，基于經(jīng)驗(yàn)的試錯(cuò)方法和納米尺度的分析方法則極大地加深了人們對(duì)材料的基本物理和化學(xué)理論的認(rèn)識(shí)。
就可持續(xù)能源領(lǐng)域而言，材料科學(xué)未來(lái)的發(fā)展至少應(yīng)該基于以下四個(gè)方面：
1. 氣體分離和儲(chǔ)存材料
2. 熱能轉(zhuǎn)換與控制材料
3. 電力電子材料
4. 能源轉(zhuǎn)化材料
