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杨军:日常生活与新兴产业的电化学技术

时间:2013-04-08 15:29:13  来源:  作者:

  随便留意一下我们的日常生活,会发现接触的许多东西与电化学技术密切相关。人们最常用的手机和电动自行车是电池在提供能量,这还包括石英手表、收音机、手提电脑、心脏起博器、助听器、汽车启动与照明等等,而室内光亮的金属水龙头则是装饰性电镀的成果。作为可移动的电源,电池的应用还扩展到了现代化军用装备、航空航天、无线通讯等领域。实际的电化学技术应用并非局限于电池和电镀,主要还包括:腐蚀与防腐、环境工程、化学品的制备和生产,如从氯碱化工获得基础化学品-烧碱,像金属锂、钠和非金属氟等极活泼材料除了电解制备外别无它法。在未来,新型化学电源将在电动汽车、智能电网和生命医学领域发挥独特的作用,而基于电化学原理的染料敏化太阳能电池和人工光合作用也可能得到应用。在这里,笔者主要谈谈电化学技术所涉及的能量储存与转化、环境保护和生物医学发展三个方面。

  新能源领域的电化学技术

  电化学技术的研究重点之一是电能与化学能之间的能量储存与转换,相关器件有一次和二次电池、超级电容器和燃料电池。电化学能量储存与转换的研究也常常包含光能的相互关联,由此产生了光电化学电池、染料敏化太阳能电池、光解制氢等研究方向。随着全球经济快速发展、人口增长,环境污染加剧以及化石能源的日趋枯竭,开发清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务,先进电池技术是未来众多高新产业发展的重要基础之一,发达国家对此十分重视。美国的布什政府提出了基于燃料电池的氢能经济,但由于电极反应铂催化剂的含量和电池总成本难以大幅降低,氢能产业尚未能有效实施。到了奥巴马时代,又鼓励发展二次电池,尤其是高能锂离子电池。在我国,高效二次电池材料及关键技术,已被《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006━2020年)》中明确规划为国家重点发展的前沿技术,对我国能源、交通、信息和国防等领域的高速发展和新兴产业的形成具有重大战略意义。提升能量密度是电池研究开发的核心内容,数十年来,二次电池从铅酸电池、镍氢电池逐渐向锂离子电池发展。由于价格低廉,电动自行车目前仍然主要采用铅酸电池,而丰田汽车公司的混合电动汽车销量已经超过三百万辆,其中采用镍氢电池的普瑞斯超过二百万辆,锂离子电池的混合电动车也已经上市。我国对购买电动汽车给予较大力度补贴,上汽集团等的纯电动汽车已经上市,河北和山东等地推出的低速电动车在二三线城镇和乡村销量较快。总体上看,电动汽车目前仍处于早期培育阶段,电池性价比和充电配套设施是决定其能否快速推广的关键。电池的安全性、能量密度、循环寿命和成本是需要考量的重要指标,现有的动力型锂离子电池采用有机电解液,像汽油一样有燃烧的隐患,今后将向不燃性的有机、聚合物、甚至水系电解质方向发展。在能量密度上,由日本尼桑公司开发最新的聆风(Leaf)电动汽车用锂离子电池系统能量密度最大为140Wh/kg,这与燃油车相比差距很大。日本的新能源产业技术开发机构(NEDO)规划到2030年电动汽车用二次电池的能量密度指标将达到500Wh/kg,这一指标是二次电池替代内燃机作为车用供能系统的重要标杆。显然,目前处于研究阶段的锂-硫电池也难以达到该指标,正开始研发的锂-空气电池则有望满足这一要求。

  使用电动汽车可以减少城市的排放污染,但并不意味一定减少碳排放总量,关键要看电能的来源。如果是烧煤炭获得电能,同样产生大量碳排放。如果电来自水力能、太阳能和风能等可再生能源以及安全上能有保障的核能,则总的碳排放能真正被遏制。二次电池另一大用途是储能,这类电池被称为储能电池。储能电池已经广泛用于通讯基站和备用电源。利用储能电池还能够更好地利用可再生能。比如在电网难以到达的地方或电网容量有限的情况下,可再生能发电与储能电池配合自成一体,就能更稳定和更可靠地使用电能。而在风能等并网时,二次电池的配合将能平滑可再生能对电网的冲击。另一方面,储能电池也能对电网起到削峰填谷的作用,将夜晚多余的电能存放起来白天释放,满足高峰需求。这样,电厂有望适当减小规模。从上述情况看,未来的智能电网将会有储能电池参与。实际用于电网的储能要求特大容量规模和长的循环寿命,目前正在开发液流电池、钠硫电池等体系,现有可行的相关技术是扬水储能。

  与二次电池有所不同,燃料电池是将燃料的化学能直接转变成电能。它既可以是便携式电源用于电动汽车和航空航天等领域,也可以是一种高效发电装置。一方面,通过煤化工技术将炭转换成液态或气态燃料,或直接使用天然气、石油重整气,由SOFC高温燃料电池发电,由于避开了卡诺循环的限制,有望显著提高能量转换效率。另一方面,作为可移动动力电源的质子交换膜燃料电池在使用寿命和安全性上看来比锂离子电池更具优势,但其对铂催化剂的依赖性和高的制造成本仍使大规模应用受到限制。还需要考虑的问题是氢的来源和安全的储存手段。可喜的是,通过大量研究,质子交换膜燃料电池的铂使用量在较快下降,未来在电动车等动力电源应用方面可能与锂离子电池形成竞争。

  新型化学电源已经使我们的生活更加丰富多彩,也对能量的有效利用和减轻城市废气污染大有作为。但大规模生产和使用化学电源需要科学的管理和严格的法规,低技术含量下的无序发展将会引起新的污染。前几年大量推出电动自行车时铅酸电池生产遍地开花造成局部严重污染就是很好的教训。这里不仅是要注意电池生产过程中的环保问题,同时还要着眼于大量废旧电池的回收和再利用。

  在太阳能利用方面,除了直接利用其热能和通过太阳能电池将光能变成电能外,还可以借助光电化学原理将光能变成化学能而产生新的物质,这种功能犹如像水稻和树叶等植物,通过光合作用,吸收二氧化碳,吐出氧气并将碳固化。目前研究最多的是光解制氢。大家知道,水在常温下不能自发变成氢气和氧气,但N型二氧化钛之类的宽禁带半导体在光(尤其是紫外光)照下能产生氧化性很强的少数载流子空穴,足以使水裂解产生氧气,同时在催化剂作用下氢离子被还原成氢气。目前,采用Mo掺杂的BiVO4半导体能使光解制氢的转换效率达到4%以上,而在光照ZnGa2O4的作用下可使水与二氧化碳反应产生甲烷,也有研究试图通过太阳能从海水得到氢和氯气。从原理和实践已经证明“人工光合作用”在技术上可行,但最终是否能实用化取决于低成本下转换效率能有多高。

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