2018年世界科技发展回顾 多国发力锂电池、氢燃料电池

2018年,美政府在大力推动传统能源产业发展的同时,持续加大对太阳能、核能、地热能、生物能等新能源领域的研发投入。众多新能源领域中,新型锂电池等研发成果引人注目。而日本研究锂电池负极大容量化成功,大规模开始制氢系统投建,其他各国在新能源的开发上也是不甘落后,多以锂电池和氢燃料电池为主进行新能源研究。

美国

新能源成果突出,生态安全备受重视

2018年,美政府在大力推动传统能源产业发展的同时,持续加大对太阳能、核能、地热能、生物能等新能源领域的研发投入。

众多新能源领域中,新型电池研发成果引人注目。750次充电/放电循环后仍能正常工作的新型锂空气电池、容量大且寿命长的可充电水基锌电池、靠细菌发电的低成本纸基生物电池等成为电池中的新星。而在提高现有电池性能方面,科学家也取得不少成果。他们将有机太阳能电池的光电转化效率提高至15%,将锂离子电池的容量提高了40%。布朗大学开发的新型燃料电池反应合金催化剂,在活性和耐久性方面更是超过了能源部2020年车用电催化剂技术指标。

在维护生态环境安全方面,尽管政府最新气候评估报告称,气候变化将给美国带来多重伤害,但并没有说服特朗普总统。科学家依然不遗余力游说,不仅发文称美墨边境墙会严重危害地区生物多样性,还对欧洲将木材作为低碳燃料的政策提出质疑。在具体研究方面,甲烷温室效应的证实、金属铋“催化可塑性”的发现、可再生可降解乳蛋白包装材料的开发等成果,都成为保护全球生态环境安全的助推剂。

日本

锂电池负极大容量化,制氢系统投建

大容量不劣化的锂电负极研发成功。日本产业技术综合研究所新开发出了一种锂离子电池使用的负极,容量约为目前主流的石墨负极(372mAh/g)的5倍,与一氧化硅的理论容量基本一致。新开发的电极在反复充放电200多次后,容量依然没有变化,确认具备大容量、长寿命的特性。利用此次开发的电极有望提高负极的能量密度,推动锂离子二次电池实现大容量化和小型化。

世界最大规模利用可再生能源的制氢系统在福岛投建。2018年8月,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)、东芝能源系统、东北电力及岩谷产业合作,开始在福岛县浪江町建设利用可再生能源制氢的氢能源系统“福岛氢能源研究站”,系统装置具备世界最大规模的1万千瓦制氢能力。利用该系统制造的氢预定用于燃料电池发电用途及燃料电池车和燃料电池巴士等交通用途,或者作为工厂的燃料使用。

氢燃料发动机实现大功率、高热效率、低排放。产综研与日本冈山大学、东京都市大学、早稻田大学组成的研究小组,在小型发动机的基础实验中,利用氢燃料优异的燃烧特性确立了新的燃烧方式,开发出全球首款能实现高热效率和低氮氧化物(NOx)的火花点火氢燃料发动机。

东海核燃料再处理设施报废计划获批。日本“原子力规制委员会”2018年6月批准了由日本原子力研究开发机构提交的东海核燃料再处理设施报废计划,耗资1万亿日元,报废时长预计将持续70年。

俄罗斯

大气治理取得进展,核废料和水处理有新法

大气污染防治方面,俄罗斯国立秋明大学的科研人员研发出液滴悬浮约束方法,并可进行定量液滴有序成团,此项工作可用于大气中污染物扩散机理的研究,制定生态灾难预防性措施;托木斯克理工大学研究人员使用含有3%—10%有机杂质的工业用水和废水,获取了燃料气溶胶,这种气溶胶可用于快速点燃火力发电厂和锅炉房的锅炉,还可用于柴油发电机燃烧室以及汽车内燃机。

核废料处理方面,俄科学院远东分院化学研究所联合俄远东联邦大学,正在研制新型纳米结构吸附反应剂,该吸附剂可用于净化俄远东红星造船厂内的放射性液体废物;俄西伯利亚联邦大学的科学家采用空化技术,让位于乏核燃料储罐底部密实的不溶性沉积层不断受到空化—活化水酸性溶液侵蚀而被破坏,新技术将溶解速率和沉积物回收量提高至原来的1.5倍,制备出的含放射性化学废物的水泥混合物强度是常规方法的2—3倍。

水处理方面,俄圣彼得堡理工大学的科学家使用高铁酸钠替代传统的氯气对自来水进行消毒,新试剂用量小,不会形成毒性分解物,还能将一些危险化学品分解成低毒化合物,同时杀死水中微生物;俄托木斯克工业大学能源工程学院研发出液滴爆炸粉碎式污水处理方法,可高效去除污水中的化学侵蚀性、毒性及燃料杂质,具有高效、低能耗的特点,适用于化工、石化、冶金、纸浆造纸等行业的污水处理。

德国

致力解决气候和雾霾问题,开发储存制取氢的新工艺

2018年德国大规模启动了碳转化学项目以解决气候和雾霾问题,这个由赢创公司和西门子合作的项目,拟利用人工光合作用,将二氧化碳和水转化为有用化学物质。按照计划,到2021年将在鲁尔区的马尔化学工业园建成一个巨大的化学试验装置,预计每年可利用二氧化碳生产20000吨有用的化学品和燃料。该项目最终获益的不仅是钢铁行业,还有化学和能源等行业。

德国尤利希研究中心和埃朗根—纽伦堡大学的研究人员合作,开发出了利用有机载体液和特殊催化剂,储存和制取氢燃料的新工艺,可使原先装卸氢燃料所需的两个装置简化成一个装置。这一新工艺将来应用于工业化储氢和生产,将大大降低成本和能源消耗,对能源转型具有重要意义。

不莱梅大学库尔策教授领导的研究小组找到了一种解决地下水硝酸盐污染的新方法,发现一种合成的多金属氧酸盐对于减少硝酸盐水污染有特殊作用,这种纳米结构物质在水中对硝酸盐还原起电催化效果。

韩国

建成应对核泄露系统,提高锂电池性能

2018年,韩国建成了迅速应对核泄露的“核辐射状况信息共享系统”,在核能设施周边29个地点探测放射能量泄露数据并迅速应对。

韩国大学成功开发出一种利用太阳光谱中红光捕捉二氧化碳的技术,能够将二氧化碳转换成一氧化碳中间物质,从而生产燃料;此外,韩国还研发出了符合更高环保要求的氢气制备技术。

韩国使用富锂锰氧化物开发了一种兼具高电压、高容量的黏合剂阳极材料,可大幅提高锂二次电池的能量密度;同时,充电速度为现有锂电池5倍、采用石墨烯球正极保护膜和负极材料的锂二次电池也在韩国研发成功。

以色列

注重氢燃料电池研发,助力新能源汽车发展

在第6届国际智能机动峰会上,以色列公司展示出水基氢燃料溶液,利用公司的专利催化剂,可以快速从溶液中获取氢气,供给氢燃料电池产生电能。该溶液具有无毒、化学性质稳定的特点,同时储能密度高,且便于运输和存储。

以色列研究人员还发现在太阳能的作用下,过氧化氢在氧化铁构成的光电极上产生光化学分离的化学机理。该发现有望将水廉价且高效地转化为清洁的氢燃料,促进氢燃料电池驱动的汽车大规模发展。

乌克兰

建立环境研究中心,监测研究自然生态

2018年9月,乌克兰教科部、环境部、国立喀尔巴阡大学,以及喀尔巴阡山国家公园联合建立了喀尔巴阡环境研究中心。喀尔巴阡山是横跨中东欧多个国家的欧洲第二长山脉,目前存在着诸如地表水体污染、工业和生活垃圾污染等环境问题,以及自然生态系统退化、生物多样性丧失、洪水和山体滑坡威胁增大的趋势。该研究中心建立后,通过监测和研究将为解决上述问题提供科学依据和解决方案。