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新能源材料與器件

 

電氣工程及其自動化學院

 

姓名:

 

發展領域

 

 

新能源材料與器件

 

電氣工程及其自動化學院

 

姓名:

 

發展領域

發展領域  

新材料是指那些新出現的或正在發展中的、具有傳統材料所不具備的優異性能和特殊功能的材料;或采用新技術(工藝,裝備),使傳統材料性能有明顯提高或產生新功能的材料;一般認為滿足高技術產業發展需要的一些關鍵材料也屬于新材料的范疇。  

新材料作為高新技術的基礎和先導,應用范圍極其廣泛,它同信息技術、生物技術一起成為21世紀最重要和最具發展潛力的領域。隨著我國能源消耗大幅度增長,煤炭、石油、天然氣等傳統能源已難于滿足長期發展的需求,并會在消耗過程中對環境造成巨大破壞,要解決上述問題必須提高燃燒效率,實現清潔煤燃燒,開發新能源,節能降耗。這3個方面都與材料有著極為密切的關系。新能源材料是指實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術中所要用到的關鍵材料,它是發展新能源的核心和基礎。主要包括儲氫合金材料為代表的鎳氫電池材料、嵌鋰碳負極和LiCoO2正極為代表的鋰離子電池材料、燃料電池材料、Si半導體材料為代表的太陽能電池材料和發展風能、生物質能以及核能所需的關鍵材料等。

前景展望  

新能源和再生清潔能源技術是21世紀世界經濟發展中最具有決定性影響的五個技術領域之一,新能源包括太陽能、生物質能、核能、風能、地熱、海洋能等一次能源以及二次電源中的氫能等。新能源材料則是指實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術中所要用到的關鍵材料,主要應用于照明、供電、供熱等領域。 主要包括以鎳氫電池材料、鋰離子電池材料為代表的綠色電池材料;燃料電池材料;太陽能電池材料以及鈾、氘、氚為代表的反應堆核能材料等。當前綠色電池材料研究的熱點和前沿技術包括高能儲氫材料、聚合物電池材料、磷酸鐵鋰正極材料等。在燃料電池材料領域當前研究的熱點和前沿技術包括中溫固體氧化物燃料電池,電解質材料等。在太陽能電池材料領域當前研究的熱點和前沿技術包括晶體硅太陽能電池材料、非晶硅薄膜電池材料、化合物薄膜電池材料和染料敏化電池材料等。  

對我國來說,首先要考慮的是提高能源生產效率、減少污染,其中當務之急是逐步實現潔凈煤燃燒。為了提高燃燒效率,提高熱效和增加機動性,要發展超臨界蒸汽發電機組、整體煤氣化聯合循環技術和大功率工業燃氣輪機組,這些技術對材料的要求都十分苛刻,需要耐熱、耐蝕、抗磨蝕、抗沖刷的合金鋼及低成本催化劑,高質量的合金鋼及高溫合金材料和涂層,工程陶瓷等材料,以滿足高溫、高強、抗蠕變、疲勞、耐蝕和長期工作的要求。此外,磁流體發電需要高性能的通道材料。  

未來的清潔能源包括氫能、太陽能、風能、核聚變能等,這些能源的利用存在較多的材料問題。其中氫能的利用需要無機分離催化膜、儲氫材料(儲氫合金、碳納米管等);燃料電池需要質子交換膜、高溫氧化物電極等材料;利用化學能的二次電池需要氫鎳電池、鋰離子電池正負極材料及快速充電系統等;太陽能電池需要多晶硅、多結非晶硅及其他高效、長壽、廉價的太陽能光伏轉換材料等;風能發電需要風力發電機用大型風力發電機葉片,并要求有足夠的強度和抗疲勞性能的材料,如玻璃鋼、碳纖維增強塑料、增強木材等;核能發電中快中子增殖堆涉及液體鈉的腐蝕等材料問題,核聚變裝置需要耐中子輻射、耐高溫和抗氫脆的材料;生物質能需要無機分離催化膜等等。  

在節能方面也涉及到一些材料問題,如智能建筑中采用的具有保溫、隔熱性能的墻體材料及雙層中空低輻射玻璃等;LED節能燈中采用的半導體材料;高效電力系統中采用的超導材料及技術等。  

綠色二次電池的研究開發一直是國際上一系列重大科技發展計劃的熱點之一。基于新材料和新技術的高能量密度、無污染、可循環使用的綠色電池新體系不斷涌現并迅速發展成新一代便攜式電子產品的支持電源和電動車、混合動力車的動力電源。預計到2010年綠色動力電池市場將超過240億美元。顯然,綠色電池的產業發展將對國民經濟產生巨大影響。

現狀分析  

清潔、高效成為能源生產和消費的主流、世界各國都在加快能源和電力發展多樣化的步伐,而我國以煤炭為主的能源生產和消費格局卻沒有根本改變。新能源材料是新能源開發的物質基礎,為促進我國可再生能源和新能源技術及相關產業的發展,近幾年,我國政府比較重視能源材料的開發和應用,973計劃、863技術、科技攻關計劃、高技術產業化專項等計劃對能源器件及其關鍵材料的研究開發和產業化均有一定投入。  

目前,我國在貯能電池、太陽能電池和燃料電池方面都有一定的基礎,我國組織了鎳氫電池和鋰電池關鍵材料和技術的研究與開發以及電池技術的攻關,已形成了從上游產品、原料制備、設備制造、電池加工和出口貿易以及下游產品的產業鏈;我國在小功率鎳氫電池產業化方面也取得了很大進展,鎳氫電池出口量逐年增長,年增長率為30%以上,鎳氫動力電池已于近幾年形成產業化。但與發達國家的發展和我國需求相比,我國還有相當大的差距,鋰離子正極材料產品品質基本達到國際水平,但與國內月消耗量相比仍存在缺口,燃料電池研制一度停頓15年,與國外相比有較大差距,需要加強應用研究和工程研究。  

總之,經過國家的大力發展,我國新材料產業已取得了很大進步,許多省市政府把新材料產業作為新的經濟增長點列入議事日程,并出臺配套的產業政策給予重點支持,其中以北京、上海、西安、深圳、山東、重慶、武漢、江蘇尤為突出。海門、江陰、長沙、銅陵、寧波、攀枝花、石嘴山等城市先后提出了建設成國家新材料基地的目標。但也要看到,與發達國家相比,我國新材料產業仍存在一定的差距,因此為滿足我國高技術產業發展和產業結構調整的需要,大力促進新材料產業的發展,已成為我國高技術產業發展的一項重要任務。新能源材料是新能源開發的物質基礎,近幾年,我國政府比較重視新能源材料的開發和應用,973計劃、863計劃、科技攻關計劃、高技術產業化專項等計劃對綠色二次電池、燃料電池和太陽能電池等能源器件及其關鍵材料的研究開發和產業化均有一定投入。核心技術  

新能源材料是發展新能源的核心和基礎,其核心技術和發展重點為:動力電池和儲能電池的相關材料的國產化,包括動力電池正、負極材料,特別是實現鋰鹽和隔膜國產化或者本地化,為二次電池產業發展提供基礎;硅和高分子等太陽能電池材料與器件;氫能與燃料電池的關鍵材料及器件;氫的生產、輸運、分配、存儲和應用中的關鍵材料、器件與技術;風能利用相關材料與技術。

支撐條件  

當前的研究熱點和技術前沿包括高容量儲氫材料、鋰離子電池材料、質子交換膜燃料電池和中溫固體氧化物燃料相關材料、薄膜太陽能電池材料等。  

正極Ni(OH)2產量超過8000噸,產值超億元,北京和新鄉、宜興的相關公司是主要生產廠家。鎳氫動力電池是當前研究開發的熱點產品,863電動汽車專項對鎳氫動力電池給予了大力支持,是EV和HEV電池的主要動力或輔助動力,尚處于研究開發階段,未形成產業。制約因素  隨著近年來電能短缺的嚴峻形勢,有效利用電能,把低谷電儲存起來,待到用電高峰時使用,即電能的貯存變得十分重要。而分散能源體系的建立和完善涉及貯能電池、太陽能電池或燃料電池。這3種電池在我國都有一定的基礎,但與發達國家的發展和我國的需求相比還有相當大的差距,需要加強應用研究和工程研究。  

產業鏈條我國組織了鎳氫電池和鋰電池關鍵材料和技術的研究與開發以及電池技術的攻關,已形成了從上游產品、原料制備、設備制造、電池加工和出口貿易以及下游產品的產業鏈。“十五”期間又將電動車列為863計劃重大專項。鎳氫動力電池、鋰離子電池等相關材料研究開發均得到了支持。2003年底國家發改委又決定支持我國鋰離子動力電池產業化示范基地的建設,以進一步推動我國鋰離子動力電池的發展。為了從基礎理論方面更好地指導綠色電池領域整體技術的發展,科技部973計劃已于2002年底批準“綠色二次電池新體系”立項,2003年該項研究已正式啟動。  

我國在小功率鎳氫電池產業化方面取得了很大進展,鎳氫電池的出口量逐年增長,年增長率為30%以上。儲氫合金產量約6000噸,主要生產廠家有包頭稀奧科、遼寧三普和寧波、廈門、甘肅相關公司。  

正極Ni(OH)2產量超過8000噸,產值超億元,北京和新鄉、宜興的相關公司是主要生產廠家。鎳氫動力電池是當前研究開發的熱點產品,863電動汽車專項對鎳氫動力電池給予了大力支持,是EV和HEV電池的主要動力或輔助動力,尚處于研究開發階段,未形成產業。

政策措施  

首先,國家出臺新能源材料相關經濟激勵政策。包括由政府制定或批準執行的促進新能源材料開發利用相關經濟刺激措施。如各種形式的補貼、價格優惠、稅收減免、貼息或低息貸款等。  

其次,國家大力促進新能源材料的研究開發。指新能源與可再生能源材料技術在研究開發和試點示范活動中,政府所采取的行動。我國“九五”國家科技重點攻關項目計劃和美國100萬個太陽能屋頂計劃中,兩國政府都采取了此類政策。  

最后,國家應指向新能源材料的市場開拓策略。在項目實施過程中,采用某些有利于新能源與可再生能源材料技術進步的新的運行機制和方法。如公開招標、公平競爭、聯合開發方式等。

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