新能源材料

美科学家首次以纳米精度检测太阳能电池

近日，美国家技术标准研究院（NIST）发布消息声称，该机构研究人员利用2种新技术，首次以纳米级精度检测了广泛使用的太阳能电池的化学成分及缺陷的变化。新技术检测了用碲化镉半导体材料制造的常见太阳能电池，有望帮助科学家更好地了解太阳能电池的微观结构，并可能提出进一步提高太阳能光电转化效率的方法。在研究中，NIST科学家利用2种依赖原子力显微镜（AFM）的辅助方法，通过光诱导共振（PTIR）来测量太阳能电池样品从可见光到中红外线的宽波长范围吸收光的数量，从而在纳米级尺度得到太阳能电池的构成及其缺陷。另一项技术，被称为扫描近场光学显微镜（dt-NSOM），通过记录特定位置传输光的数量来捕捉太阳能电池的组成及缺陷的变化，从而形成详细的纳米尺度图像。实验表明，材料晶体排列的缺陷与其化学构成中的杂质相关，新技术能检测碲化镉样品中所谓的深层次缺陷的空间变化。这些缺陷引起碲化镉与其它半导体中的电子和质子（带正电荷的颗粒）重新组合而不是发电，这是导致太阳能电池无法取得理论成效的关键原因之一。该研究成果具有广泛适用性，将有助于太阳能电池研究，更好地了解各种光伏材料。（科技部）

新工艺获取热电材料更经济快速

俄罗斯国家研究型工艺技术大学（NUST）节能中心的研究人员近日开发出一种全新方法，可经济快速地研制航天器中高效热电发生器所需材料，这种材料能直接将热能转化为电能。相关文章发表在《材料化学学报A》上。

新制作方法利用了金属化合物的结构特点，他们借此创建出含有空隙的金属化合物晶体，再用原子填充这些空隙。所获得的热电材料含有2种原子：固定在晶格内可保障高导电性的原子，以及自由移动能大大降低熱导率的原子。

此前研究采用的热电材料获取方法耗时长，成本高。而科研小组成员安德烈·沃罗宁介绍称，新工艺用铟作为填充物，选择合适的金属初始配比，在开放式反应器内合成所需材料，合成过程只需2min就可完成，退火需要5h。这种材料和合成的特点可使整个进程加快数十倍，从而降低所获材料的成本。（科技日报）

俄巧用质谱法成功剖析一种生物燃料成分

俄罗斯科研人员发现钝顶螺旋藻可制成生物燃料，但其中杂质较多且难以辨识。为此研究者用一种特殊“熏蒸”法与质谱法结合，分辨出了这种生物燃料的所有成分，为改进这种燃料品质铺平了道路。

通过新方法，研究者发现钝顶螺旋藻燃料的主要成分中没有石油所含的碳氢化合物，其燃料成分与一种植物色素和数种有机染料较为近似。钝顶螺旋藻是一种蓝绿色浮游生物，体长可达500μm，分布在热带和亚热带的部分淡水湖中。莫斯科物理技术学院和莫斯科国立大学的研究者在新一期英国《欧洲质谱学杂志》上报告说，这种螺旋藻能将其生活环境中的碳酸和太阳能转化成糖类和其他营养物质来养活自己，其生长和分裂增殖的速度快于很多进行光合作用的生物，具有用以研制生物燃料的潜质。

在实验中，研究人员先对钝顶螺旋藻进行干燥处理，再用一种模拟石油生成条件的反应器将其加热到300℃并同时施加高压，结果得到了液态可燃物和沉淀在反应器底部的稠密胶质物。但初步分析显示，这2种物质都含有大量杂质，这些杂质会干扰研究者分析这种生物燃料的有用成分，妨碍进一步改进工艺以提高燃料品质。

从理论上说，综合运用物质分离、检测离子电荷与质量之比（质荷比）并分析光谱的质谱法可以鉴定上述螺旋藻燃料的成分。为了提高这种鉴定效果，俄研究人员在用钝顶螺旋藻制作燃料前，先用重水和强碱溶液的蒸气“熏蒸”并浸透该螺旋藻。在这两种蒸气的作用下，重水中的重氢（即氘元素）会融入该螺旋藻的多种分子中。在将如此加工过的螺旋藻制成燃料后，研究者用“傅里叶变换离子回旋共振质谱法”，即根据给定场中的离子回旋频率来测量离子质荷比的质谱分析方法，对该燃料的分子进行分析。这种质谱法能对含有重氢的分子进行分辨率更高的成分检测。检测中所得到的特殊光谱还能与普通钝顶螺旋藻燃料的光谱进行对照，协助确定该燃料的所有成分。参与这项研究的生物化学专家伊格尔·波波夫介绍说，通过上述新方法研究者发现钝顶螺旋藻燃料的主要成分中没有石油所含的碳氢化合物，其燃料成分与植物色素“亮绿”和数种有机染料较为近似。此外，该燃料还含有由氮族元素形成的化合物和氮气等杂质。

波波夫认为，上述发现有助于研究者进一步分析钝顶螺旋藻燃料的哪种成分更适合加工成高效燃料，这种螺旋藻的哪个品种富含燃料成分。在解决这2个问题后，研究者将尝试通过基因改造培育出更适合制作生物燃料的钝顶螺旋藻。（新华网）

世界首例咸水8效淡化能源项目运营

6月27日，西北油田托甫台基地“热-电-太阳能-咸水淡化”能源综合利用示范项目正式运营，其中世界首套低温8效太阳能板式蒸馏苦咸水淡化装置成功投产。此前2年试运行，能源综合利用率达到90%。

托甫台基地位于**塔克拉玛干沙漠腹地，地下水质复杂多变，传统膜法运行成本高，制出水常呈现偏酸、矿化度高的现象，西北油田在装配咸水淡化装置时，综合设计新能源的合理分布运用，首次将分布式电源、发电机余热利用、太阳能集热和咸水淡化等装置集成化，形成资源整合、光热互补的一体化技术。

这项技术是利用热能，逐级将8个效间的咸水在95℃以下的低温进行蒸发淡化，最后冷凝得到纯净水。经过18项专业检测，咸水淡化后符合国家生活饮用水卫生标准。目前，3效和4效蒸馏在国内较为常见，但是能效转化率不理想，西北油田实施能效倍增计划，联合多家技术公司，装备世界首例咸水8效蒸馏装置，与常规装置比较，在相同热源的情况下，产水量提高近1倍，能源综合利用率显著提升。

该示范项目试运行期间每天转化出淡水12m3，每立方米可节约成本10元，截至目前，累计发电651万kWh，在满足托甫台基地用电的同时，外输556万kWh，创效278万元。（中国石化报）

国内首个风电制氢工业应用项目制氢站开工

近日，国内首个风电制氢工业应用项目沽源风电制氢项目制氢站开工建设。沽源风电制氢项目由河北建投集团投资建设，制氢站规划建设容量为10MW电解水制氢系统及氢气综合利用系统。项目建成后，可实现年产纯度为99.999%的氢气700.8万m3。氢气作为一种新型清洁能源，燃烧后生成的产物是水，无任何污染物排放。风电制氢是一种新的能源利用模式，通过制氢设备将风力发出的电能转化为氢气。依照规划，该项目生产出的一部分氢气将用于工业生产，另一部分将在氢能源动力汽车产业具备发展条件时，用于建设配套加氢站网络，支持河北省清洁能源动力汽车发展。项目投产后，对提升张家口风电消纳能力具有重要意义，将探索出风电本地消纳的新途径。（河北日報）

我国二氧化碳直接制液体燃料研究获突破

近日，中国科学院上海高等研究院低碳转化科学与工程重点实验室在二氧化碳（CO2）利用领域取得重要进展，创造性地采用氧化铟/分子筛（In2O3/ HZSM-5）双功能催化剂，实现了CO2加氢一步转化高选择性得到液体燃料。该研究成果于近日在《自然-化学》（Nature Chemistry）杂志上在线发表，并已申报中国发明专利和国际PCT专利。

多年来，中科院低碳转化科学与工程重点实验室在CO2高效活化转化领域做了大量的研究工作并取得了系列研究成果。新型高效的CO2加氢合成甲醇催化剂于2016年完成了1 200h连续运转的单管试验以及10～30万t/a二氧化碳甲醇技术工艺包的编制，后续将与企业合作开展千吨级工业侧线试验。近期，研发团队又在CO2直接合成高碳烃类化合物方面取得了突破性进展。将CO2直接合成高碳烃类化合物的研究较少，主要是缺乏有效的催化剂体系。现有的CO2合成高碳烃类化合物的研究主要围绕改性的铁基费托催化剂，但效率不高且稳定性不好。研究团队成功地设计出了金属氧化物/分子筛双功能催化剂，在CO2高选择性转化为高碳烃方面取得突破。烃类产物中汽油烃类组分（碳数为5～11的烃类化合物）的选择性高达近80%，而副产物甲烷的选择性小于1%，汽油烃类组分以高辛烷值的异构烃为主。双功能催化剂是利用氧化铟表面的高度缺陷结构来活化CO2并进行选择性加氢，在实现CO2高效转化为含氧中间体的同时可有效抑制副产物的生成，中间体传递至分子筛笼中，发生偶联反应得到汽油烃类组分。研究还发现，双活性位的精准控制对汽油烃类组分的生成起着至关重要的作用。此外，研发团队已完成了催化剂制备放大并得到高机械强度的工业尺寸颗粒催化剂，在工业条件下该催化剂体系具备了示范应用的条件。该工作得到了审稿人的高度评价，被认为是CO2转化领域的一大突破，为CO2转化为化学品及燃料提供了重要的平台。

目前，CO2资源化利用的研究主要集中在甲醇、甲酸、甲烷和一氧化碳等简单小分子化合物的合成，然而，由于CO2分子的化学惰性，很难将其转化为含有2个碳原子及以上的化合物。（中国科学院）

国内首个新型磁悬浮风力发电项目开建

6月6日，国内首个新型磁悬浮垂直轴风力发电项目在宜阳县柳泉镇丁湾村开工建设。该项目致力于实现国内新型风机制造产业化，打造绿色新型清洁能源基地。新型磁悬浮垂直轴风力发电项目由汇民新能源投资集团和中韩亚泰集团联合研发，拥有自主知识产权，填补了省内乃至国内空白。新型磁悬浮垂直轴风力发电机组集磁悬浮技术、电机工程、动力机械等学科于一体，是指在0.8～15m/s风速下不定向即可发电，“八面来风”使风叶带动轴心产生动力、转动机组发电，在高300m以上的荒地、荒山坡即可发电。据了解，新型磁悬浮垂直轴风力发电机组具有微风起动、高效发电、运行平稳、使用安全、低碳环保等优点。

河南汇民（集团）新能源科技有限公司董事长李建军介绍，新型垂直轴风力发电机组是在原有技术基础上，成功开发出的具有自主知识产权的扩压—引射型垂直轴风力发电技术，效率更高、功率调节范围更广、风速的适应范围更大，基本能做到全天候运行，具有良好的市场前景。目前，该公司已具备年产100～150台的能力。（河南日报）

气态电解质让锂电池在零下60℃高效运行

最新出版的《科学》杂志刊登了电解液化学研究领域的一项重大突破：美国科学家首次使用液化气取代电解液，分别让锂电池和超级电容器在-60℃和-80℃还能保持高效运行。新技术不仅提高了电动车在寒冷冬季单次充电的运行里程，还能为高空极冷环境下的无人机、卫星、星际探测器等提供电能。科学界普遍认为，电解质是改进储能装置性能的最大瓶颈。液态电解质已经遭遇研究极限，许多科学家现在将目光聚焦在固态电解质。但加州大学圣地亚戈分校可持续电力和能源中心及能源储存和转换实验室主任孟颖教授带领其团队，反其道而行之，研究气态电解质并取得突破。这些气态电解质能在一定压力下液态化，且更能抗冻。

在新研究中，他们从大量气体候选物中选出2种液化气——氟甲烷和二氟甲烷，分别制成锂电池和超级电容的电解质，使得锂电池的最低工作温度从-20℃延伸到-60℃，超级电容的工作温度从-40℃延伸到-80℃。而且，回到正常室温后，这些电解质仍能保持高效工作状态。除了创造低温工作纪录，这些气态电解质还克服了锂电池中常见的热失控问题，更具安全优势。热失控是电池中的热量恶性循环，电池工作时温度会升高，启动一系列化学反应，这些反应产生的热量反过来进一步让电池变热，使电池膨胀而毁坏。但气态电解质在高于室温的环境下，会启动一种天然关闭机制，让电池失去导电性停止工作，从而防止电池过热。最新研究还克服了锂电池充放电寿命太短的另一大挑战。因重量轻且能储存更多电荷，锂金属被公认为终极电极材料，但锂会与传统电解液发生反应，在电极表面形成针尖状突起，将电池分隔从而引起短路，造成充放电次数过少。而新电解质不会形成突起，大大延长了电池寿命。研究人员表示，他们下一步要实现锂电池在更低温度下（-100℃）工作的目标，为火星探测甚至木星和土星等深空探测装置提供全新供能技术。（科技日报）

廉价有机材料使水系电池更长寿

长期以来，安全性和循环寿命对于锂离子电池而言，就像鱼和熊掌很难兼得。《自然·材料》杂志网站近日发文称，科学家利用廉价的有机材料制备出新型水系锂离子电池，很好地解决了这一难题。论文通讯作者、美国休斯顿大学德州超导中心教授姚彦接受科技日报记者采访时表示，当前锂离子电池采用可燃性有机电解液，存在很大的安全隐患，前不久三星Galaxy Note 7手机爆炸再次为业界敲响了警钟。相比之下，铅酸电池和镍氢电池等水系电池使用水作为电解液，具有低成本、安全、不会燃烧等优点，但缺点也显而易见——循環寿命短，只有300次左右，无法满足电动汽车和储能等5 000次以上循环寿命的要求。

针对这一问题，姚彦他们利用廉价的有机材料取代现有水系电池的负极，在几乎很少改变现有电池生产设备的情况下，使水系电池突破了寿命的瓶颈。“从某种意义上说，这对水系电池各类产品的升级改造具有重要意义。”姚彦说。姚彦强调，他们使用的有机材料远低于通常的电极材料价格，且不含有害重金属元素，对环境没有污染。此外，该材料还具有比容量高、寿命长等优点，用该材料制成的新型水系锂离子电池寿命是传统铅酸电池的10倍，充电时间也仅需20min，可替代铅酸电池用于汽车启停电池、风光电储能、低速电动车等新能源领域。此外，新型水系锂离子电池还可以简化生产工艺，无需干燥间，大大降低了生产成本。姚彦透露，正在研发的第2代水系锂离子电池具有更高的能量密度和更低的成本。目前该团队已经申请了多个国际专利，希望加快从技术向产品的转化进程。（科技日报）

氢能燃料电池汽车将成重要发展方向

科技部部长万钢表示，氢能燃料电池目前在寿命、可靠性、使用性能上基本达到车辆使用要求，国外主要国家和地区高度重视氢能燃料电池汽车战略地位，给予持续支持。据介绍，我国已初步掌握了燃料电池关键材料、电堆、动力系统、整车集成和氢能基础设施的核心技术，基本建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台，实现了百辆级动力系统与整车的生产能力。万钢认为，我国必须加强协同创新，加快推动氢能燃料电池产业全面发展。一方面加强政策协同，加快开展氢能燃料电池汽车发展政策研究，通过发展政策系统推进氢能燃料电池产业发展，加快掌握更多关键核心技术。另一方面，加强产业及市场协同，推动全产业链体系的市场协同，同时强化跨产业、跨领域的产业协同应用。万钢还表示，我国将整合各方资源，积极参与国际合作。目前，我国已发起并组建国际氢能燃料电池协会，目标是建成一个覆盖全产业链、推进燃料电池商业化的国际化平台，加速推动国际氢能燃料电池技术和产业发展。（新华社）

青岛储能产业技术研究院在固态锂电池领域取得系列阶段性进展

特斯拉电动车的起火事故接连发生，国内数起均十分严重，甚至整车严重烧毁，让人们对商品锂离子电池的安全性重新审视。传统锂离子电池中的液态有机电解质是燃烧、爆炸隐患的罪魁祸首。尽管电池管理系统可一定程度上保证电池一致性和安全，但当外力碰撞造成穿刺的时候，锂离子电池起火爆炸在所难免。显然，这不是通过单纯的外部电池管理或物理外围保护所能解决的。需从理论上突破锂电池的设计理念，从而从根本上提高锂电池的安全性。

利用固态电解质替代传统液态电解质被认为是从本质上提升锂电池安全性的必由之路。但是，由于固固界面相容性等一系列科学问题亟待解决及固体电解质规模制备技术不成熟，至今尚未有商业化的高能量密度固态锂电池问世。依托青岛能源所建设的青岛储能产业技术研究院（简称“青岛储能院”）秉承“格物致知、笃志行远”的所训，在中科院纳米专项的支持下，历经多年摸索与开拓，在高能量密度固态锂电池方面取得了阶段性的进展。固态电解质是固态锂离子电池的核心部件，研究与开发综合性能优异的固态电解质体系是系统提升电池性能的核心和瓶颈问题。但无论无机材料还是聚合物材料，仅靠单一材料无法满足大容量电池在离子导电性、机械强度及热稳定等综合性能提升的要求。为了解决这一难题，青岛储能院提出“刚柔并济”固态聚合物电解质的设计理念，发挥不同材料的优势，创新地复合“刚性”多孔骨架材料和“柔性”聚合物离子传输材料。通过刚柔材料的优势互补，结合路易斯酸碱相互作用增加嵌段运动且提升界面离子传输的特点，制备出多款综合性能优异的“刚柔并济”固态聚合物电解质进而满足了长续航、高安全固态锂电池的苛刻要求。在固态锂电池大容量器件集成和中试方面，储能院已经突破高能量密度固态锂电池的技术瓶颈：成功开发出大容量固态锂电池；国家化学电源检测中心第三方检测能量密度达到300Wh/kg，循环寿命超过500次；而且他们进一步发展聚合物受热流动会切断短路点保障安全性能，多次穿钉实验表明电池安全性极佳且具有自修复特性。（青岛储能产业技术研究院）

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