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【正略年度观察】科研界——全球材料技术研究进展十大事件(下)

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【摘要】:
材料是技术发展的基础,而新材料则是战略新兴产业发展的基石。未来,新材料技术将会与信息技术融合,轻量化、智能化也将成为新材料技术发展潮流。正略咨询为大家整合了2021年材料领域技术进展十大事件(参阅《【正略年度观察】科研界——全球材料技术研究进展十大事件(上)》),本文将继续对其进行解读。

【正略年度观察】科研界——全球材料技术研究进展十大事件(下)

 

材料是技术发展的基础,而新材料则是战略新兴产业发展的基石。未来,新材料技术将会与信息技术融合,轻量化、智能化也将成为新材料技术发展潮流。正略咨询为大家整合了2021年材料领域技术进展十大事件(参阅《【正略年度观察】科研界——全球材料技术研究进展十大事件(上)》),本文将继续对其进行解读。

 

六、一种高度稳定的柔性固态锂空气电池

 

资料来源:A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li–air battery

研发国家:中国

发表期刊:Nature

科研关注度:344

潜在市场规模:780亿元人民币

 

根据Research and Markets调研数据显示,2020年全球锂离子电池市场价值约为405亿美元,预计2025年市场将以14.6%的GACR增长,达到近800亿美元的规模。2020年中国锂电池市场规模约为2000亿元人民币,预计2025年达到3900亿元人民币。锂空气电池具有最高的理论能量密度,有望在下一代储能设备中占据重要地位,随着技术的不断发展成熟,预计2025年锂电池市场占有率为20%,预计市场规模为780亿元人民币。

 

锂空气电池是一种非常有潜力的高比容量电池技术,其利用锂金属与氧气的可逆反应,理论能量密度高达3600Wh/kg。锂空气电池的蓄电能力是当前锂离子电池的10倍以上,被广泛认为是一项未来电池领域中的颠覆技术。然而,传统的固体电解质由于其对锂金属或空气的不稳定性,以及在构造低电阻界面时的不稳定性,不适合在固态锂空气系统中使用。

 

吉林大学于吉红院士和徐吉静教授(共同通讯作者)团队提出了一个集成的固态锂空气电池,它包含一个超薄的、高离子传导的锂离子交换沸石X(LiX)膜作为唯一的固体电解质。这种电解质与铸造锂作为阳极,碳纳米管作为阴极。由于沸石的固有化学稳定性,有效地抑制了锂或空气的作用引起的电解液变质。该电池碳纳米管的容量为12020mAh/g,在电流密度为500mA/g和容量为1000mAh/g的情况下,循环寿命为149次。在相同条件下,这种循环寿命比磷酸铝锗锂(12次)和有机电解质(102次)的电池更长。沸石基锂空气电池的电化学性能、柔性和稳定性赋予其实际应用性,可以扩展到其他储能系统,如锂离子电池、钠空气电池和钠离子电池。

 

图源:Nature

 

七、纤维锂离子电池

 

资料来源:Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries

研发国家:中国

发表期刊:Nature

科研关注度:249

潜在市场规模:1500亿元人民币

 

可穿戴设备市场规模一直保持增长趋势,2020年达559.2亿元,预计2025年中国智能可穿戴设备市场规模将达1573.1亿元。

 

2021年3月11日,复旦大学高分子科学系教授彭慧胜领衔的研究团队,成功将显示器件的制备与织物编织过程实现融合,在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件,揭示了纤维电极之间电场分布的独特规律,实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。相关研究成果在线发表于《Nature》主刊。2021年9月1日,复旦大学彭慧胜团队在高分子纤维器件领域取得新进展,发现了纤维锂离子电池内阻与长度之间的双曲余切函数关系,有效解决了活性材料和纤维电极界面稳定性难题,连续构建出兼具高安全性、高性能的新型纤维聚合物锂离子电池。

 

图源:Nature

 

纤维锂聚合物离子未来会有广阔的应用前景,如长度为1米的电池可以为智能手机、手环、心率监测仪、血氧仪等可穿戴电子设备长时间连续有效供电,在曲率半径为1厘米的情况下,将纤维锂离子电池弯折10万次后,其容量保持率仍大于80%,以及在重复水洗、挤压等情况下,也可以保持较为稳定的电化学性能。此外,研究团队通过将纤维锂离子电池和纤维传感器与显示织物集成,实现了智能织物系统对人体汗液中钠离子和钙离子浓度的实时监控和信号传输与显示,为后期相关医疗方面的应用提供了可能。

 

八、甲氧基乙胺螯合剂改善镁电池性能

 

资料来源:Solvation sheath reorganization enables divalent metal batteries with fast interfacial charge transfer kinetics

研发国家:美国

发表期刊:Science

科研关注度:133

潜在市场规模:1500亿元人民币

 

预计到2025年,全球可充电二次电池的市场总规模将达到5000亿美元以上,其中可充电镁电池的市场占比将达到30%以上。

 

能源系统的升级需要具有更高能量密度和安全性的电化学存储系统。可充电二价金属电池,包括可充电镁和钙金属电池(RMB和RCB),是锂离子电池有前景的替代品。首先,镁和钙的地壳储量是锂的1000倍以上,其次双电子转移会实现更大的负极容量。然而,它们受到动力学缓慢和副反应较多的困扰,如镁二价离子和电解液与正极材料相互作用较强,导致镁离子的解离和扩散极为缓慢,因此很少有正极材料可以高效地储存镁离子。当前为数不多的可储镁的正极材料也只有在高温和低电流密度下才能趋近理论容量。虽然研究人员为了解决电解质与正极、负极和集流器之间的不相容性,探索了由非腐蚀电子离域阴离子组成的电解质,如Mg(TFSI)2、硼团簇、烷氧基硼酸盐和烷氧基铝酸盐以及镁阳极上的人工SEI膜。但是,镁和钙负极在正极侧仍观察到较大的迟滞现象,因此可充电镁、钙金属电池仍存在库仑效率不足的问题。

 

图源:Science

 

美国马里兰大学王春生教授和美国陆军研究实验室Oleg Borodin发现了一系列甲氧基乙胺螯合剂,通过溶剂化鞘重组极大地促进了界面电荷转移动力学,并抑制了正极和金属副极上的副反应,从而实现了能量密度为分别为412Wh/kg和471Wh/kg。这种方法同时解决了二价金属电池的两个关键挑战:负极的低可逆性和金属氧化物正极的缓慢动力学,从而使镁、钙金属电池的能量密度与锂电池相当。该设计原理可广泛应用于其他二价金属电池,同时这种电解质的重组可以通过改变螯合剂的介电常数和尺寸来进行调节,以进一步增强反应动力学和可逆性,从而匹配商业锂离子电池的应用标准。

 

九、无碳纯硅全固态电池

 

资料来源:Carbon-free high loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes

研发国家:美国

发表期刊:Science

科研关注度:237

潜在市场规模:900亿元人民币

 

根据中国电子信息产业发展研究院的数据,2019年中国锂电池产业规模为2058亿元,预计2025年达3000亿元。假设2025年全固态电池市场占有率为30%,全固态电池潜在市场规模约为900亿元。

 

硅负极具有极高的理论比容量、较低的充放电电压平台以及非常丰富的自然储量等优势,被认为是下一代高能量密度锂离子电池最具发展潜力的负极材料之一。然而,在实际应用中,硅负极面临着一个迄今尚未解决的技术瓶颈,即较差的循环稳定性。特别是硅基全电池,其循环性能往往不超过100圈。针对硅负极存在的问题和挑战,科学家们开发了许多先进的改性策略来缓解容量衰减,如纳米结构设计、探索新型聚合物粘结剂、电解液改性、不同的预锂化策略和硅/石墨复合等等。尽管这些策略均在一定程度上提高了硅负极的循环性能,但是没有一种策略能够同时解决上述所有问题,硅负极的商业化应用之路仍然任重道远。

 

2021年9月,美国加州大学圣地亚哥分校Ying Shirley Meng(孟颖)教授和陈政博士通过使用硫化物固态电解质的界面钝化特性实现了质量分数为99.9的无碳纯硅负极稳定循环,组装了一种高性能的纯硅阳极全固态电池(ASSB)。所制备的全电池不仅能够在高面电流密度(5mAcm-2)和宽温度范围内(-20 ℃到80℃)稳定运行,还可以提供高达11 mAhcm-2 (2890mAhg-1) 的面积容量。研究表明,该电池可以在5mAcm-2的电流密度下稳定循环500次,容量保持率高达80%,且平均库伦效率高于99.9%,是迄今为止报道的微硅全电池的最佳性能。如此优异的性能主要归因于微硅阳极和硫化物电解质之间理想的界面特性以及锂硅合金独特的化学机械行为,从而彻底解决了硅负极存在的连续的界面生长和不可逆的锂损失等问题。

 

图源:Science

 

无碳纯硅全固态电池能够实现高电流密度、宽工作温度范围与高面积容量,并实现长循环寿命和日历寿命,满足电池安全、持久且能量密度高的要求,有望未来从电网存储到电动汽车的广泛应用。

 

十、在强酸中电解CO2生成多碳产品

 

资料来源:CO2 electrolysis to multicarbon products in strong acid

研发国家:加拿大

发表期刊:Science

科研关注度:237

潜在市场规模:1200亿元人民币

 

电化学CO2还原反应(CO2RR)可以将CO2转化为有价值的碳基化学品,这为可再生电力储存和绿色碳循环提供了一条有前景的途径。CO2电催化还原,以二氧化碳为主要原料,经电化学催化还原反应,可得到一氧化碳、甲酸、乙酸、甲烷、乙烷、甲醇、乙醇、乙烯、乙醛、丙醛、正丙醇等产品。其中,乙醇是二氧化碳电还原反应的主要产物,乙醇的全球需求持续处在高位,其全球市场规模可达到750亿美元左右,2020年我国乙醇行业产值约为1000亿元,预计2025年乙醇市场规模将达1200亿元。

 

二氧化碳电还原(CO2RR)作为一种有希望将碳排放转化为有价值的化学品和燃料的途径正被积极研究。然而,其产物中多碳产品的含量总是低于2%,并且该反应极易在碱性和中性反应器中与氢氧化物反应生成碳酸盐。如果在碱性和中性环境中试图从碳酸盐或阴极和阳极流中回收排放CO2,会导致严重的能源浪费。

 

加拿大多伦多大学Edward H. Sargent院士、David Sinton教授和澳大利亚悉尼大学李逢旺(共同通讯作者)团队等人采用了一种阳离子增强策略来改善强酸(pH<1)中的CO2活化动力学。在电化学活性位点附近集中钾离子加速CO2活化,从而在酸中实现高效的CO2R。团队在pH<1的条件下实现了铜的CO2R,单次CO2利用率为77%;在电流密度为1.2A/cm2和4.2V的全电池电压下,对多碳产品(乙烯、乙醇和1-丙醇)的转化效率为50%。相关成果以题为“CO2 electrolysis to multicarbon products in strong acid”发表在了Science。

 

图源:Science