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 編者按：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院近日公開4項(xiàng)儲(chǔ)能相關(guān)科技成果，包含固體物理研究所的高性能鈉硫儲(chǔ)能電池、等離子體物理研究所的“智慧儲(chǔ)能”和新型液態(tài)金屬儲(chǔ)能電站系統(tǒng)，以及等離子體物理研究所的石墨烯燃料電池關(guān)鍵材料項(xiàng)目，未來有望實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。

固體物理研究所的高性能鈉硫儲(chǔ)能電池，Na-β-Al2O3陶瓷隔膜制備技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，目前處于組裝商業(yè)化(工業(yè)化)鈉硫電池中試階段，最終將實(shí)現(xiàn)鈉硫電池及其電池組的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化。等離子體物理研究所的“智慧儲(chǔ)能”不但可應(yīng)用與電能替代，還可應(yīng)用于風(fēng)電供暖及電網(wǎng)調(diào)峰;新型液態(tài)金屬儲(chǔ)能電站系統(tǒng)待突破新型儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)、建成50MW儲(chǔ)能電站中試系統(tǒng)，完成液態(tài)重金屬關(guān)鍵設(shè)備制造，兩項(xiàng)均已成熟待產(chǎn)業(yè)化。等離子體物理研究所的石墨烯燃料電池關(guān)鍵材料項(xiàng)目，探索應(yīng)用等離子體法制備石墨烯的新方法、以石墨烯為電極材料組裝燃料電池，使其特性幾倍于當(dāng)前商用電池，目前處于小試階段，待與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)。

幾項(xiàng)科技成果詳細(xì)公示內(nèi)容如下：

1 高性能鈉硫儲(chǔ)能電池

所處階段： 中試

成果來源：固體物理研究所

必要性及需求分析

能源和環(huán)境是人類跨入二十一世紀(jì)所面臨的兩個(gè)嚴(yán)峻的問題。發(fā)展節(jié)能、儲(chǔ)能技術(shù)以及開發(fā)新型零排放的動(dòng)力蓄電池替代傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，已經(jīng)受到全球各國政府的廣泛關(guān)注。采用Na-β-Al2O3陶瓷作為隔膜部件的高能量高放電電流密度電池(Na/S電池)，同時(shí)具有高功率密度、長循環(huán)壽命、無自放電現(xiàn)象、100%的庫侖效率以及其本身活性物質(zhì)無毒無害等突出優(yōu)點(diǎn)，是先進(jìn)的高效和綠色環(huán)保能源, 作為能量存儲(chǔ)用于削峰填谷以及純電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車電源，有難以匹敵的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

鈉硫電池運(yùn)行在高溫(270至350℃), 負(fù)極活性物質(zhì)為熔融金屬Na, 正極活性物質(zhì)為熔融的單質(zhì)S, 正負(fù)電極間采用固體電解質(zhì)β-Al2O3，理論比能量為760Wh/kg, 電源電動(dòng)勢為2.076V。作為電池的隔膜，至今研究表明β-Al2O3陶瓷難以被其他材料代替。由于Na/S電池能否研發(fā)成功以及其性能好壞，完全決定于鈉離子導(dǎo)體β-Al2O3固體電解質(zhì)的獲得及其性能優(yōu)劣，因此高性能的β-Al2O3固體電解質(zhì)的獲得是制造該類電池的技術(shù)前提。實(shí)際上，高性能β-Al2O3固體電解質(zhì)管的制備技術(shù)是制造該類高溫電池的技術(shù)瓶頸。從電池結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以看出，高活性鈉和高腐蝕性S及多硫化鈉(放電產(chǎn)物)儲(chǔ)存和密封也是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，否則它們會(huì)直接影響電池的壽命及安全性。

中科院固體物理研究所成功突破了制備β-Al2O3陶瓷技術(shù)，掌握了動(dòng)態(tài)燒結(jié)技術(shù)和批量化靜態(tài)燒結(jié)技術(shù)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。成功地進(jìn)行了陶瓷玻璃封接、金屬與陶瓷連接。目前正在組裝商業(yè)化(工業(yè)化)電池，實(shí)現(xiàn)客戶需求的電池組。

目標(biāo)及主要任務(wù)

(1)目標(biāo)

突破高鈉離子電導(dǎo)率、高力學(xué)強(qiáng)度、大尺度β-Al2O3陶瓷管制備技術(shù)，同時(shí)突破Na/S電池密封技術(shù)和抗活性物質(zhì)腐蝕技術(shù)，研發(fā)出高可靠性大容量的Na/S單體電池，實(shí)現(xiàn)電池組演示。

(2)主要任務(wù)

- β-Al2O3陶瓷管制備中性能控制的穩(wěn)定性與量產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)研究和相關(guān)設(shè)備的研發(fā)。

- 金屬-陶瓷間的密封技術(shù)路線的優(yōu)化以及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)。

- 鈉硫電池正極罐內(nèi)壁防腐蝕鍍層性能的優(yōu)化以及正極室內(nèi)阻的減小。

- 單體電池整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對(duì)應(yīng)組裝過程的優(yōu)化及相關(guān)裝置的研制。

- 單體電池性能測試和性能評(píng)估。

- 電池組恒溫箱的設(shè)計(jì)及電池組安裝與溫度、電壓等的自動(dòng)控制。

現(xiàn)有工作基礎(chǔ)

突破了制備Na-β-Al2O3陶瓷技術(shù)，掌握了動(dòng)態(tài)燒結(jié)技術(shù)和批量化靜態(tài)燒結(jié)技術(shù)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。成功地進(jìn)行了陶瓷玻璃封接、金屬與陶瓷連接、金屬防腐處理。目前正在組裝商業(yè)化(工業(yè)化)電池，對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。

預(yù)期經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

鈉硫電池高的比能量密度(單位質(zhì)量)、高能量密度(單位體積)、長循環(huán)壽命以及維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，作為EV電源可以實(shí)現(xiàn)真正的零排放，如果用于轎車和公共交通，必將大大緩解我國城市日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。有關(guān)發(fā)展我國的儲(chǔ)能技術(shù)的意義在此也不必贅述。大家知道，我國城市，特別是大、中型城市，在盛夏和嚴(yán)冬季節(jié)，經(jīng)常要拉閘限電，這不僅妨礙工業(yè)生產(chǎn)也嚴(yán)重影響城市居民生活。如果采用Na/S電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)就可以將夜間的多余電能儲(chǔ)存起來，在用電高峰釋放，獲得”削峰填谷”效果，從而達(dá)到改善電力分布、提高電力供應(yīng)質(zhì)量和緩解電力供應(yīng)緊張局面的目的。另外在我國的西北和南方沿海地區(qū)，風(fēng)能和太陽能資源非常豐富，但這類可再生能源受天氣和季節(jié)的影響非常大，遇到陰雨天和無風(fēng)天氣，則會(huì)造成電力供應(yīng)緊張甚至中斷，給廣大使用該類可再生能源的用戶(在西北大多是偏遠(yuǎn)貧困地區(qū))造成生成和生活的嚴(yán)重影響。正由于這種電力供應(yīng)的不穩(wěn)定性，據(jù)報(bào)道目前我國70%以上的風(fēng)力電站所發(fā)的電不能(允許)入網(wǎng)，給國家和相關(guān)眾多企業(yè)造成巨大損失。顯然，鈉硫電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)如果與風(fēng)力和太陽能發(fā)電站連接，將會(huì)從根本上解決該類可再生能源供應(yīng)中的電力漲落問題，從而發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

實(shí)施方式(模式)

擬研制10KWh演示電池組，對(duì)其進(jìn)行全面評(píng)估，為產(chǎn)業(yè)化實(shí)施準(zhǔn)備基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)鈉硫電池及其電池組的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化。

附件：圖片
2 “智慧儲(chǔ)能”——實(shí)施電能替代的關(guān)鍵技術(shù)支撐

所處階段：成熟待產(chǎn)業(yè)化

成果來源：等離子體物理研究所

必要性及需求分析:

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，能源短缺、氣候變化等問題日益突出。尤其近幾年我國大部分省份冬春季頻繁發(fā)生嚴(yán)重霧霾，引起全社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的關(guān)注以及對(duì)能源發(fā)展方式的反思，為構(gòu)建與能源發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型相適應(yīng)的綠色能源消費(fèi)模式，國家電網(wǎng)公司提出實(shí)施“以電代媒、以電代油、電從遠(yuǎn)方來”的發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)電能替代工程。“智慧儲(chǔ)能”技術(shù)就在此大背景下研發(fā)成功，系統(tǒng)產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)質(zhì)是對(duì)現(xiàn)有能源的合理全部利用不浪費(fèi)，可應(yīng)用于電能替代、風(fēng)電供暖、電網(wǎng)調(diào)峰等國家電網(wǎng)涉及的幾乎所有技術(shù)領(lǐng)域。

目標(biāo)及主要任務(wù):

目前全球大多數(shù)國家熱能的消耗是電能的兩倍，中國也是如此，現(xiàn)階段熱能供應(yīng)的主要方式還在依靠燃煤和燃?xì)?。而利?ldquo;智慧儲(chǔ)能”技術(shù)，可以在不增加電網(wǎng)負(fù)擔(dān)的情況下將夜間的谷電及棄風(fēng)電消納，通過技術(shù)手段轉(zhuǎn)化為熱能存儲(chǔ)下來，再根據(jù)用戶的不同需求，通過與水的換熱產(chǎn)出熱水進(jìn)行供暖或者產(chǎn)出蒸汽進(jìn)行工業(yè)供熱。“智慧儲(chǔ)能”技術(shù)的應(yīng)用，可顯著降低燃煤燃?xì)獾氖褂茫瑥亩行е卫盱F霾，同時(shí)還提高了用電效率。

現(xiàn)有工作基礎(chǔ):

淮南中科儲(chǔ)能科技有限公司研制的10MWht中試儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)合理、建造精良，調(diào)試成功，可連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生過熱蒸汽;該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)曾試運(yùn)行達(dá)40多天，利用夜間谷電，成功實(shí)現(xiàn)為3000m2學(xué)生公寓冬季供暖;試運(yùn)行期間，系統(tǒng)整體保溫效率達(dá)到98%，工作區(qū)間內(nèi)介質(zhì)始終保持液體狀態(tài)，流經(jīng)的管道系統(tǒng)氣體壓力為常壓，這就使得“智慧儲(chǔ)能”技術(shù)在電能替代工程的應(yīng)用上具備了技術(shù)保證。

預(yù)期經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益:

“智慧儲(chǔ)能”技術(shù)不但可應(yīng)用與電能替代，還可應(yīng)用于風(fēng)電供暖及電網(wǎng)調(diào)峰;我國國土幅員遼闊，國家電網(wǎng)遍布城鄉(xiāng)，涉及每一個(gè)省份，僅電網(wǎng)合作就是一個(gè)很可觀的主要市場;若能廣泛用于國家電網(wǎng)的改造升級(jí)，電能替代工程的大力推動(dòng)，以及有能源利用與存儲(chǔ)需求的工業(yè)企業(yè);則經(jīng)濟(jì)效益大為可觀。

“智慧儲(chǔ)能”技術(shù)伴隨電能替代工程的發(fā)展，將以輸電代替輸煤，減少煤炭大規(guī)模、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸壓力，從根本上解決煤電運(yùn)緊張問題;還能促進(jìn)能源基地集約高效開發(fā)和電力大規(guī)模輸送，全面提高能源開發(fā)利用的效率和效益;同時(shí)依托特高壓電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)西部、北部的水能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源大規(guī)模開發(fā)和大范圍優(yōu)化配置;提高電能占終端能源消費(fèi)比重，對(duì)于推動(dòng)社會(huì)節(jié)能減排，緩解城市霧霾困擾，促進(jìn)我國能源可持續(xù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

實(shí)施方式/模式：

鑒于 “智慧儲(chǔ)能”技術(shù)及產(chǎn)品的特殊性，其所應(yīng)用的目標(biāo)市場即為國家電網(wǎng)的改造升級(jí)及工業(yè)企業(yè)相關(guān)的能源利用與存儲(chǔ)領(lǐng)域;“智慧儲(chǔ)能”系統(tǒng)產(chǎn)品既可與遍布國內(nèi)城鄉(xiāng)的電網(wǎng)并網(wǎng)后儲(chǔ)能、供熱、發(fā)電;也可為有“智慧儲(chǔ)能”技術(shù)需求的工業(yè)企業(yè)研制并且施工成套儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)品。

附件：圖片

4 石墨烯燃料電池關(guān)鍵材料

所處階段： 小試

成果來源：等離子體物理研究所

必要性及需求分析

目前全球的石油儲(chǔ)量約有1345億噸，而現(xiàn)在全世界燃油的消耗每年達(dá)30億噸以上。顯而易見，全球的石油資源再有40年左右就會(huì)枯竭。而作為貧油國家，我國的石油僅有23的開采儲(chǔ)量。進(jìn)口依存度由1995年的6.5%已上升至2008年的52%!直接影響著我國的可持續(xù)發(fā)展。統(tǒng)計(jì)資料表明，全球約三分之一的能源用于交通，所以尋找新能源在交通中的應(yīng)用迫在眉睫。

近年來，直接甲醇燃料電池由于其工作溫度低、燃料來源廣泛、低污染、高能量密度、成本低廉等特點(diǎn)，成為人類解決能源危機(jī)的有效途徑之一，近年來越來越受到人們的關(guān)注。作為燃料電池陽極的催化劑，要求貴金屬鉑以良好的形貌和大小分布于載體上并與載體結(jié)合牢固。為達(dá)到以上效果，需從兩方面著手：一方面要有良好的 Pt的負(fù)載均勻程度和合適的金屬粒徑大小;另一方面，載體需有大的比表面積，以提高貴金屬的負(fù)載率，并且要有良好的導(dǎo)電性，以提供電子傳輸?shù)耐ǖ?，還要有穩(wěn)定的特性，以防止在酸性環(huán)境中被腐蝕。石墨烯具有良好的物理、電學(xué)性能，是負(fù)載鉑催化劑的理想載體。

目標(biāo)及主要任務(wù)

(1)目標(biāo)

探索應(yīng)用新方法制備質(zhì)量和數(shù)量都較高的石墨烯，并應(yīng)用等離子體法對(duì)石墨烯表面進(jìn)行修飾，制備適合燃料電池電極的載體。檢測電極特性，使其電化學(xué)特性幾倍于當(dāng)前商用載體或電極材料。石墨烯制備的新方法有以下特點(diǎn)：

原料來源廣且價(jià)格便宜：以石墨為原料

產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量較高：以等離子體方法制備石墨烯得到較高的質(zhì)量和數(shù)量

對(duì)環(huán)境無污染

(2)主要任務(wù)

探索應(yīng)用等離子體法制備石墨烯的新方法

以石墨烯為電極材料組裝電池，使其特性幾倍于當(dāng)前商用電池

現(xiàn)有工作基礎(chǔ)

(1)應(yīng)用等離子體法還原氧化石墨烯

經(jīng)過多年的探索，已經(jīng)成功應(yīng)用等離子體方法還原氧化石墨烯制備適合于燃料電池電極載體的石墨烯材料，其方法簡單易行且對(duì)環(huán)境沒有污染。

(2)等離子體技術(shù)制備鉑納米復(fù)合物

利用Ar射頻輝光等離子體對(duì)負(fù)載了Pt前驅(qū)物離子的石墨烯載體進(jìn)行還原，制備了高效的催化劑，對(duì)其進(jìn)行表征，并用于甲醇催化氧化的研究。

(3)等離子體技術(shù)制備摻雜石墨烯鉑及其甲醇電催化性能研究

利用NH3及H2射頻輝光等離子體對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行摻雜，制備成兩種載體摻雜 H石墨烯(GH)和摻雜氮石墨烯(GHA)，然后將上述所得等離子體技術(shù)制備石墨烯鉑納米復(fù)合物及其在直接甲醇燃料電池中的應(yīng)用得載體與氯鉑酸混合，采用氫氣等離子體對(duì)混合物進(jìn)行一步還原從而制備摻雜氫石墨烯鉑納米復(fù)合物(Pt/GH)和摻雜氮石墨烯鉑納米復(fù)合物(Pt/GHA)。并用于甲醇催化氧化的研究。

預(yù)期經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

我國的電動(dòng)車行業(yè)正處在迅猛發(fā)展中，將燃料電池用于電動(dòng)車性能的提升，環(huán)保，節(jié)約能源，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

實(shí)施方式(模式)

應(yīng)用與基礎(chǔ)并進(jìn)，通過基礎(chǔ)研究為應(yīng)用提供理論支撐，與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)等方式。