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    新能源材料与器件

     

    电气工程及其自动化学院

     

    姓名:

     

    发展领域

     

     

    新能源材料与器件

     

    电气工程及其自动化学院

     

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    发展领域

    发展领域  

    新材料是指那些新出现的或正在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料;或采用新技术(工艺,装备),使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料;一般认为满足高技术产业发展需要的一些关键材料也属于新材料的范畴。  

    新材料作为高新技术的基础和先导,应用范围极其广泛,它同信息技术、生物技术一起成为21世纪最重要和最具发展潜力的领域。随着我国能源消耗大幅度增长,煤炭、石油、天然气等传统能源已难于满足长期发展的需求,并会在消耗过程中对环境造成巨大破坏,要解决上述问题必须提高燃烧效率,实现清洁煤燃烧,开发新能源,节能降耗。这3个方面都与材料有着极为密切的关系。新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料,它是发展新能源的核心和基础。主要包括储氢合金材料为代表的镍氢电池材料、嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、Si半导体材料为代表的太阳能电池材料和发展风能、生物质能以及核能所需的关键材料等。

    前景展望  

    新能源和再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一,新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等。新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料,主要应用于照明、供电、供热等领域。 主要包括以镍氢电池材料、锂离子电池材料为代表的绿色电池材料;燃料电池材料;太阳能电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。当前绿色电池材料研究的热点和前沿技术包括高能储氢材料、聚合物电池材料、磷酸铁锂正极材料等。在燃料电池材料领域当前研究的热点和前沿技术包括中温固体氧化物燃料电池,电解质材料等。在太阳能电池材料领域当前研究的热点和前沿技术包括晶体硅太阳能电池材料、非晶硅薄膜电池材料、化合物薄膜电池材料和染料敏化电池材料等。  

    对我国来说,首先要考虑的是提高能源生产效率、减少污染,其中当务之急是逐步实现洁净煤燃烧。为了提高燃烧效率,提高热效和增加机动性,要发展超临界蒸汽发电机组、整体煤气化联合循环技术和大功率工业燃气轮机组,这些技术对材料的要求都十分苛刻,需要耐热、耐蚀、抗磨蚀、抗冲刷的合金钢及低成本催化剂,高质量的合金钢及高温合金材料和涂层,工程陶瓷等材料,以满足高温、高强、抗蠕变、疲劳、耐蚀和长期工作的要求。此外,磁流体发电需要高性能的通道材料。  

    未来的清洁能源包括氢能、太阳能、风能、核聚变能等,这些能源的利用存在较多的材料问题。其中氢能的利用需要无机分离催化膜、储氢材料(储氢合金、碳纳米管等);燃料电池需要质子交换膜、高温氧化物电极等材料;利用化学能的二次电池需要氢镍电池、锂离子电池正负极材料及快速充电系统等;太阳能电池需要多晶硅、多结非晶硅及其他高效、长寿、廉价的太阳能光伏转换材料等;风能发电需要风力发电机用大型风力发电机叶片,并要求有足够的强度和抗疲劳性能的材料,如玻璃钢、碳纤维增强塑料、增强木材等;核能发电中快中子增殖堆涉及液体钠的腐蚀等材料问题,核聚变装置需要耐中子辐射、耐高温和抗氢脆的材料;生物质能需要无机分离催化膜等等。  

    在节能方面也涉及到一些材料问题,如智能建筑中采用的具有保温、隔热性能的墙体材料及双层中空低辐射玻璃等;LED节能灯中采用的半导体材料;高效电力系统中采用的超导材料及技术等。  

    绿色二次电池的研究开发一直是国际上一系列重大科技发展计划的热点之一?;谛虏牧虾托录际醯母吣芰棵芏?、无污染、可循环使用的绿色电池新体系不断涌现并迅速发展成新一代便携式电子产品的支持电源和电动车、混合动力车的动力电源。预计到2010年绿色动力电池市场将超过240亿美元。显然,绿色电池的产业发展将对国民经济产生巨大影响。

    现状分析  

    清洁、高效成为能源生产和消费的主流、世界各国都在加快能源和电力发展多样化的步伐,而我国以煤炭为主的能源生产和消费格局却没有根本改变。新能源材料是新能源开发的物质基础,为促进我国可再生能源和新能源技术及相关产业的发展,近几年,我国政府比较重视能源材料的开发和应用,973计划、863技术、科技攻关计划、高技术产业化专项等计划对能源器件及其关键材料的研究开发和产业化均有一定投入。  

    目前,我国在贮能电池、太阳能电池和燃料电池方面都有一定的基础,我国组织了镍氢电池和锂电池关键材料和技术的研究与开发以及电池技术的攻关,已形成了从上游产品、原料制备、设备制造、电池加工和出口贸易以及下游产品的产业链;我国在小功率镍氢电池产业化方面也取得了很大进展,镍氢电池出口量逐年增长,年增长率为30%以上,镍氢动力电池已于近几年形成产业化。但与发达国家的发展和我国需求相比,我国还有相当大的差距,锂离子正极材料产品品质基本达到国际水平,但与国内月消耗量相比仍存在缺口,燃料电池研制一度停顿15年,与国外相比有较大差距,需要加强应用研究和工程研究。  

    总之,经过国家的大力发展,我国新材料产业已取得了很大进步,许多省市政府把新材料产业作为新的经济增长点列入议事日程,并出台配套的产业政策给予重点支持,其中以北京、上海、西安、深圳、山东、重庆、武汉、江苏尤为突出。海门、江阴、长沙、铜陵、宁波、攀枝花、石嘴山等城市先后提出了建设成国家新材料基地的目标。但也要看到,与发达国家相比,我国新材料产业仍存在一定的差距,因此为满足我国高技术产业发展和产业结构调整的需要,大力促进新材料产业的发展,已成为我国高技术产业发展的一项重要任务。新能源材料是新能源开发的物质基础,近几年,我国政府比较重视新能源材料的开发和应用,973计划、863计划、科技攻关计划、高技术产业化专项等计划对绿色二次电池、燃料电池和太阳能电池等能源器件及其关键材料的研究开发和产业化均有一定投入。核心技术  

    新能源材料是发展新能源的核心和基础,其核心技术和发展重点为:动力电池和储能电池的相关材料的国产化,包括动力电池正、负极材料,特别是实现锂盐和隔膜国产化或者本地化,为二次电池产业发展提供基??;硅和高分子等太阳能电池材料与器件;氢能与燃料电池的关键材料及器件;氢的生产、输运、分配、存储和应用中的关键材料、器件与技术;风能利用相关材料与技术。

    支撑条件  

    当前的研究热点和技术前沿包括高容量储氢材料、锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池和中温固体氧化物燃料相关材料、薄膜太阳能电池材料等。  

    正极Ni(OH)2产量超过8000吨,产值超亿元,北京和新乡、宜兴的相关公司是主要生产厂家。镍氢动力电池是当前研究开发的热点产品,863电动汽车专项对镍氢动力电池给予了大力支持,是EV和HEV电池的主要动力或辅助动力,尚处于研究开发阶段,未形成产业。制约因素  随着近年来电能短缺的严峻形势,有效利用电能,把低谷电储存起来,待到用电高峰时使用,即电能的贮存变得十分重要。而分散能源体系的建立和完善涉及贮能电池、太阳能电池或燃料电池。这3种电池在我国都有一定的基础,但与发达国家的发展和我国的需求相比还有相当大的差距,需要加强应用研究和工程研究。  

    产业链条我国组织了镍氢电池和锂电池关键材料和技术的研究与开发以及电池技术的攻关,已形成了从上游产品、原料制备、设备制造、电池加工和出口贸易以及下游产品的产业链?!笆濉逼诩溆纸缍盗形?63计划重大专项。镍氢动力电池、锂离子电池等相关材料研究开发均得到了支持。2003年底国家发改委又决定支持我国锂离子动力电池产业化示范基地的建设,以进一步推动我国锂离子动力电池的发展。为了从基础理论方面更好地指导绿色电池领域整体技术的发展,科技部973计划已于2002年底批准“绿色二次电池新体系”立项,2003年该项研究已正式启动。  

    我国在小功率镍氢电池产业化方面取得了很大进展,镍氢电池的出口量逐年增长,年增长率为30%以上。储氢合金产量约6000吨,主要生产厂家有包头稀奥科、辽宁三普和宁波、厦门、甘肃相关公司。  

    正极Ni(OH)2产量超过8000吨,产值超亿元,北京和新乡、宜兴的相关公司是主要生产厂家。镍氢动力电池是当前研究开发的热点产品,863电动汽车专项对镍氢动力电池给予了大力支持,是EV和HEV电池的主要动力或辅助动力,尚处于研究开发阶段,未形成产业。

    政策措施  

    首先,国家出台新能源材料相关经济激励政策。包括由政府制定或批准执行的促进新能源材料开发利用相关经济刺激措施。如各种形式的补贴、价格优惠、税收减免、贴息或低息贷款等。  

    其次,国家大力促进新能源材料的研究开发。指新能源与可再生能源材料技术在研究开发和试点示范活动中,政府所采取的行动。我国“九五”国家科技重点攻关项目计划和美国100万个太阳能屋顶计划中,两国政府都采取了此类政策。  

    最后,国家应指向新能源材料的市场开拓策略。在项目实施过程中,采用某些有利于新能源与可再生能源材料技术进步的新的运行机制和方法。如公开招标、公平竞争、联合开发方式等。

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