超越传统体系的电化学能源

基于第262期"双清论坛",本文围绕超越传统体系电化学能源的重大需求、科学基础和发展途径,总结了新型电化学能源领域的关键科学问题,提出了以典型电化学能源化学体系为抓手,构筑从电荷转移到电极材料,再到器件系统的全链条电化学能源理论,建议了未来5～10年的重要研究方向.超越传统体系的电化学能源研究将推动当代化学基础理论创新...     

钠离子电池关键材料与器件

钠离子电池因资源丰富、价格低廉、安全性高等优点,在大规模电化学储能领域展现出极大的发展潜力,是我国实现能源与环境可持续发展的重要途径。相比于其它电化学储能技术,钠离子电池在经济和技术层面都呈现出优异的可行性。基于此,面向储能领域高质量发展的国家重大战略需求,聚焦钠离子电池电极材料、电解液、隔膜等关键部件,以及它们之间的相互联系、相互作用机制,总结归纳出钠离子电池关键科学问题,并提出相应研究方向和解决策略,进而构建具有超长循环寿命、超高能量密度的钠离子电池器件。着眼未来,深耕钠离子电池基础和应用基础研究,保持我国在钠离子电池领域的国际领先地位。     

电化学储能系统中的电位智能传感与应用

电化学储能的深度参与是构建新型低碳电力系统的关键核心。规模化储能电站和新能源汽车将作为电化学储能的重要载体,但其核心部件锂电池面临的安全问题也日益突显。因此,提升电化学储能系统的安全性、稳定性和可预警性是当务之急。基于传统单调采集外部信号的解决方案已无法满足当前储能系统的需求。在电池内部植入智能传感器(电位、温度、压力、气体等)实现多维度感知正发展成为解决电池研究的重要手段。深入理解电位传感器的原理与挑战,准确定义其关键科学问题,促进电池的化学工程过程定量描述,并结合数据科学和人工智能解析技术开发面向不同应用场景的电位智能传感器,在电池快充、安全预警及寿命预测等方面将发挥重要支撑作用。     

全固态电池的研究进展与挑战——以表征技术和理论机制的突破推动全固态电池的原始创新

全固态电池作为新一代高能量密度电池的重要发展方向,是能源结构转型的重要支撑。全球各国相继提出固态电池重大科技计划以及规模化生产时间线,竞争趋向白热化。本文梳理了学术与产业界、国内与国外的研究现状,并依据现代交通全面电动化的发展趋势提出了全固态电池的关键性能指标。基于此,本文凝炼了全固态电池发展面临的重要科学问题：固态电解质中的离子输运机制、全固态电池中的锂枝晶生长机制以及多场耦合下的失效、失控机制。未来,建议通过先进表征技术的发展深入理解全固态电池新体系中的基础科学问题,实现理论机制的突破;进而指导关键材料创制,推动全固态电池原始创新,实现我国从二次电池技术的跟跑者到领跑者的跨越式发展。     

流体电池的化学工程科学问题

流体电池以可流动物质作为能量载体,具有能量与功率解耦、设计灵活、可扩展性好、不受地形地质限制等优点,是推动长时间能量存储、支撑可再生能源大规模并网、构建新型电力系统、实现双碳目标的关键技术。本文基于国家自然科学基金委员会举办的第311期双清论坛,阐述了储能技术的战略意义,总结了流体电池的分类与现状,探讨了流体电池中热流科学和化学工程的学科交叉问题,提出了同时提升流体电池传输性能和电化学性能的有效途径,并为促进流体电池的发展提供了政策建议。     

燃料电池基础材料与过程机理研究

氢燃料电池结合可再生能源电解水制氢可实现对燃油发动机的绿色替代,是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径之一.近年来,氢燃料电池技术及其在新能源汽车等领域的应用取得长足发展.然而,成本和寿命一直制约着其大规模的商业化,迫切需要加强燃料电池的材料新体系及其电化学机理过程的研究,突破催化剂铂担量高,膜电极、双极板寿命短,衰减机理不明确,控制策略不完善等关键科学问题和技术瓶颈.     

燃料电池基础材料与过程机理研究

氢燃料电池结合可再生能源电解水制氢可实现对燃油发动机的绿色替代,是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径之一.近年来,氢燃料电池技术及其在新能源汽车等领域的应用取得长足发展.然而,成本和寿命一直制约着其大规模的商业化,迫切需要加强燃料电池的材料新体系及其电化学机理过程的研究,突破催化剂铂担量高,膜电极、双极板寿命短,衰减机理不明确,控制策略不完善等关键科学问题和技术瓶颈.     

基于共词分析的中国能源材料领域主题研究

使用共词分析方法,对1999-2008年中国能源材料领域进行了研究主题静态分析.结果表明,中国在该领域的研究主要集中在"锂二次电池"、"固体氧化物燃料电池和甲醇电池"、"超级电容器"、"锂电池阳极"四个主题.新兴活跃的研究主题有"氧化物燃料电池与中温固体氧化物燃料电池的阴极"与"复合材料与碳纳米管在质子膜交换燃料电池(可充电)中的应用".针对中国太阳能电池材料领域未能出现主题聚类的事实,从基础科学与技术科学关系的角度进行了分析,指出我国在太阳能电池材料领域存在着基础科学向技术科学转化不充分的问题,并就此提出了相应的对策.     

能源革命中的电化学储能技术

储能技术在可再生能源并网及微电网、电网调峰提效、区域供能、电动汽车等应用中发挥着关键作用,是保障能源安全,落实节能减排,推动全社会绿色低碳发展的重大战略需求,对切实推进能源革命具有不可替代的作用。文章重点介绍具有重要市场前景的电化学储能技术,包括液流电池、锂离子电池、铅炭电池、钠基电池技术,并在分析电化学储能技术发展现状的基础上,阐述中国相关领域未来的发展战略。     

电化学活性微生物在微生物燃料电池阳极中的应用

微生物燃料电池是利用产电菌代谢有机物产生电子,将该电子传递到外电路中输出电能从而进行发电。是一种新型的清洁能源。其中阳极电化学活性微生物是影响微生物燃料电池产电效率的关键因素之一。本文就电化学活性微生物的富集、分离,应用以及影响电化学活性微生物产电能力的主要因素进行了综述,为微生物燃料电池研究的不断深入提供理论依据。     

电化学储能过程中的界面传递

界面传递,尤其是溶剂化离子的传递机制及其过程强化是高能量密度电化学储能器件的关键科学问题之一。本文首先介绍了界面电化学理论的发展历程和界面表征方法,然后总结了溶剂化离子界面传递的研究进展,重点关注了其对电极结构稳定性、储能机理和电极反应动力学的影响机制,介绍了界面传递的计算模拟和表征手段以及液流电池变革型储能技术,并对碳达峰碳中和背景下的界面传递研究方向提出建议。     

10项引领未来的科学技术（三）——新型电池

新型电池是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的主要方向。近年来,新型电池及电池材料技术成为新的研究热点,主要包括贮氢材料及金属氢化物镍电池;锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池;聚合物电解质锂电池;燃料电池技术;电化学贮能超级电容器等。各类电池在生产和研究中具有不同的创新和发展方向,未来的新型电池将在电子信息、新型能源和环境保护等面向21世纪的重大技术领域中起到举足轻重的作用,     

纳米复合材料可提升自充电池性能 存储容量达2.5倍

美国佐治亚理工学院的一个研究团队曾因制造第一款自充电能源包或电池,荣列国际知名英国科学网站《物理世界》"2012年度十大科学突破",日前在此基础上,他们通过在电池的压电材料里添加纳米颗粒形成纳米复合材料,大幅提升了电池的充电效率和存储容量。     

大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术

1国内外研究开发现状燃料电池是一种通过电极反应直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转变为电能的发电装置。燃料电池具有能源转化效率高、噪声低、环境友好,可实现能源多样化。能源和环境是人类社会持续发展的重要基础,随着人类社会的发展和化石能源的枯竭以及环境污染的日益严峻,能源安全已成为关系到国家安全的重要问题。专家预计化石能源的可使用时间是30—40年,到21世纪50年代,人类社会将逐渐步入氢经济社会,而燃料电池技术是实现氢经济社会的基础。为此,美国、欧盟、日本等许多工业发达国家都制定了国家燃料电池和氢经济发展路线图。…     

新型电化学储能技术:半固态锂电池

半固态锂电池是将可脱嵌锂的活性材料颗粒和导电剂颗粒分散在电解液中形成电极材料的一种新型电化学储能技术,与传统锂离子电池相比,预计其规模化生产成本低,且避免了锂离子电池中电极材料粉化脱落的问题,因此电池循环寿命更长。目前半固态锂电池发展出了两种技术类型:半固态锂液流电池和半固态锂浆料电池,其技术原理已经通过验证,进入到基础关键技术开发阶段。本文综述了半固态锂电池的国内外研究进展,并对研发过程中的关键技术问题进行了总结和分析。     

车用燃料电池耐久性解决策略

随着能源安全、能源环境及能源效率问题的日益严峻,发展新能源汽车已成为世界范围内的热点。作为新能源汽车的一种,燃料电池汽车具有续驶里程长、动力性能高、可以快速加氢等优点,国内燃料电池汽车也具有较好的发展基础,进一步提高燃料电池耐久性是促进燃料电池汽车商业化的解决方案之一。     

薄膜太阳能电池专利技术分析

针对薄膜太阳能电池专利进行检索和分析,指出美国、日本和中国是薄膜太阳能电池专利申请较活跃的区域;在新型薄膜太阳能电池中,铜铟镓硒薄膜电池的发展势头较好,且转化效率高,在该薄膜电池发展的关键节点上,美国可再生能源实验室起到了关键性的作用。     

应对全球气候变化的中国能源一经济一环境政策研究中的关键科学问题——第71次“双清论坛”综述

应对全球气候变化的能源-经济-环境政策是国际上的研究热点之一。国家自然科学基金委员会近期召开了"以应对全球气候变化的中国能源-经济环境政策"为主题的第71次双清论坛。会议围绕全球应对气候变化的国际制度重要选择、全球实现控制温升2℃的目标各国面临排放空间不足的严重挑战、中国特色的低碳发展之路等核心问题展开讨论,凝练了该领域需要深入研究的关键科学问题,包括不确定性下的决策选择方法和评价、全球应对气候变化下的技术创新、转移和竞争的规律、能源-环境-经济发展的客观规律性及内在影响机制、低碳发展的规律性研究等,并就开展应对气候变化中管理科学问题的综合研究、建设能源与气候经济的基础数据平台、进一步加强学科交叉和人才培养等提出建议。     

“近空间飞行器的关键基础科学问题”重大研究计划结题综述

本文介绍了"近空间飞行器的关键基础科学问题"重大研究计划的立项背景、总体科学目标、总体布局、实施思路及总体完成情况,并概述了在该领域下一步发展的建议。     

全球关键金属-低碳能源关联研究综述及其启示

在"碳中和"背景下,学术界日益清晰地认识到"关键金属"与低碳能源技术之间存在着紧密的相互依赖关系.为提升国际社会对"关键金属-低碳能源"关联研究的认识,本文整理了该领域2000-2020年发表的200多篇文献资料,综述了该领域研究的发展历程与最新进展,阐述了主要的科学发现:①能源低碳转型将驱动多种关键金属的开采量和贸易...