正略諮詢:【年度觀察】科研界-全球材料技術研究進展十大事件(下)

材料是技術發展的基礎,而新材料則是戰略新興產業發展的基石。未來,新材料技術將會與資訊科技融合,輕量化、智慧化也將成為新材料技術發展潮流。正略諮詢為大家整合了2021年材料領域技術進展十大事件

,本文將繼續對其進行解讀。

六、一種高度穩定的柔性固態鋰空氣電池

資料來源:A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li–air battery

研發國家:中國

發表期刊:Nature

科研關注度:344

潛在市場規模:780億元人民幣

根據Research and Markets調研資料顯示,2020年全球鋰離子電池市場價值約為405億美元,預計2025年市場將以14。6%的GACR增長,達到近800億美元的規模。2020年中國鋰電池市場規模約為2000億元人民幣,預計2025年達到3900億元人民幣。

鋰空氣電池具有最高的理論能量密度,有望在下一代儲能裝置中佔據重要地位,隨著技術的不斷髮展成熟,預計2025年鋰電池市場佔有率為20%,預計市場規模為780億元人民幣。

鋰空氣電池是一種非常有潛力的高比容量電池技術,其利用鋰金屬與氧氣的可逆反應,理論能量密度高達3600Wh/kg。鋰空氣電池的蓄電能力是當前鋰離子電池的10倍以上,被廣泛認為是一項未來電池領域中的顛覆技術。然而,傳統的固體電解質由於其對鋰金屬或空氣的不穩定性,以及在構造低電阻介面時的不穩定性,不適合在固態鋰空氣系統中使用。

吉林大學于吉紅院士和徐吉靜教授

(共同通訊作者)

團隊提出了一個整合的固態鋰空氣電池,它包含一個超薄的、高離子傳導的鋰離子交換沸石X

(LiX)

膜作為唯一的固體電解質。這種電解質與鑄造鋰作為陽極,碳奈米管作為陰極。由於沸石的固有化學穩定性,有效地抑制了鋰或空氣的作用引起的電解液變質。該電池碳奈米管的容量為12020mAh/g,在電流密度為500mA/g和容量為1000mAh/g的情況下,迴圈壽命為149次。在相同條件下,這種迴圈壽命比磷酸鋁鍺鋰

(12次)

和有機電解質

(102次)

的電池更長。沸石基鋰空氣電池的電化學效能、柔性和穩定性賦予其實際應用性,可以擴充套件到其他儲能系統,如鋰離子電池、鈉空氣電池和鈉離子電池。

正略諮詢:【年度觀察】科研界-全球材料技術研究進展十大事件(下)

圖源:Nature

七、纖維鋰離子電池

資料來源:Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries

研發國家:中國

發表期刊:Nature

科研關注度:249

潛在市場規模:1500億元人民幣

可穿戴裝置市場規模一直保持增長趨勢,2020年達559。2億元,

預計2025年中國智慧可穿戴裝置市場規模將達1573。1億元

2021年3月11日,復旦大學高分子科學系教授彭慧勝領銜的研究團隊,成功將顯示器件的製備與織物編織過程實現融合,在高分子複合纖維交織點整合多功能微型發光器件,揭示了纖維電極之間電場分佈的獨特規律,實現了大面積柔性顯示織物和智慧整合系統。相關研究成果線上發表於《Nature》主刊。2021年9月1日,復旦大學彭慧勝團隊在高分子纖維器件領域取得新進展,發現了纖維鋰離子電池內阻與長度之間的雙曲餘切函式關係,

有效解決了活性材料和纖維電極介面穩定性難題,連續構建出兼具高安全性、高效能的新型纖維聚合物鋰離子電池

正略諮詢:【年度觀察】科研界-全球材料技術研究進展十大事件(下)

圖源:Nature

纖維鋰聚合物離子未來會有廣闊的應用前景,如長度為1米的電池可以為智慧手機、手環、心率監測儀、血氧儀等可穿戴電子裝置長時間連續有效供電,在曲率半徑為1釐米的情況下,將纖維鋰離子電池彎折10萬次後,其容量保持率仍大於80%,以及在重複水洗、擠壓等情況下,也可以保持較為穩定的電化學效能。此外,研究團隊透過

將纖維鋰離子電池和纖維感測器與顯示織物整合,實現了智慧織物系統對人體汗液中鈉離子和鈣離子濃度的實時監控和訊號傳輸與顯示,為後期相關醫療方面的應用提供了可能。

八、甲氧基乙胺螯合劑改善鎂電池效能

資料來源:Solvation sheath reorganization enables divalent metal batteries with fast interfacial charge transfer kinetics

研發國家:美國

發表期刊:Science

科研關注度:133

潛在市場規模:1500億元人民幣

預計到2025年,全球可充電二次電池的市場總規模將達到5000億美元以上,其中可充電鎂電池的市場佔比將達到30%以上。

能源系統的升級需要具有更高能量密度和安全性的電化學儲存系統。

可充電二價金屬電池,包括可充電鎂和鈣金屬電池

(RMB和RCB)

,是鋰離子電池有前景的替代品。首先,鎂和鈣的地殼儲量是鋰的1000倍以上,其次雙電子轉移會實現更大的負極容量。然而,它們受到動力學緩慢和副反應較多的困擾,如鎂二價離子和電解液與正極材料相互作用較強,導致鎂離子的解離和擴散極為緩慢,因此很少有正極材料可以高效地儲存鎂離子。當前為數不多的可儲鎂的正極材料也只有在高溫和低電流密度下才能趨近理論容量。雖然研究人員為了解決電解質與正極、負極和集流器之間的不相容性,探索了由非腐蝕電子離域陰離子組成的電解質,如Mg

(TFSI)

2、硼團簇、烷氧基硼酸鹽和烷氧基鋁酸鹽以及鎂陽極上的人工SEI膜。但是,鎂和鈣負極在正極側仍觀察到較大的遲滯現象,因此可充電鎂、鈣金屬電池仍存在庫侖效率不足的問題。

正略諮詢:【年度觀察】科研界-全球材料技術研究進展十大事件(下)

圖源:Science

美國馬里蘭大學王春生教授和美國陸軍研究實驗室Oleg Borodin發現了一系列甲氧基乙胺螯合劑,透過溶劑化鞘重組極大地促進了介面電荷轉移動力學,並抑制了正極和金屬副極上的副反應,從而實現了能量密度為分別為412Wh/kg和471Wh/kg。這種方法同時解決了二價金屬電池的兩個關鍵挑戰:負極的低可逆性和金屬氧化物正極的緩慢動力學,從而使鎂、鈣金屬電池的能量密度與鋰電池相當。

該設計原理可廣泛應用於其他二價金屬電池,同時這種電解質的重組可以透過改變螯合劑的介電常數和尺寸來進行調節,以進一步增強反應動力學和可逆性,從而匹配商業鋰離子電池的應用標準。

九、無碳純矽全固態電池

資料來源:Carbon-free high loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes

研發國家:美國

發表期刊:Science

科研關注度:237

潛在市場規模:900億元人民幣

根據中國電子資訊產業發展研究院的資料,2019年中國鋰電池產業規模為2058億元,預計2025年達3000億元。假設2025年全固態電池市場佔有率為30%,全固態電池潛在市場規模約為900億元。

矽負極具有極高的理論比容量、較低的充放電電壓平臺以及非常豐富的自然儲量等優勢,被認為是下一代高能量密度鋰離子電池最具發展潛力的負極材料之一。然而,在實際應用中,矽負極面臨著一個迄今尚未解決的技術瓶頸,即較差的迴圈穩定性。特別是矽基全電池,其迴圈效能往往不超過100圈。針對矽負極存在的問題和挑戰,科學家們開發了許多先進的改性策略來緩解容量衰減,如奈米結構設計、探索新型聚合物粘結劑、電解液改性、不同的預鋰化策略和矽/石墨複合等等。儘管這些策略均在一定程度上提高了矽負極的迴圈效能,但是沒有一種策略能夠同時解決上述所有問題,矽負極的商業化應用之路仍然任重道遠。

2021年9月,美國加州大學聖地亞哥分校Ying Shirley Meng

(孟穎)

教授和陳政博士透過使用硫化物固態電解質的介面鈍化特性實現了質量分數為99。9的無碳純矽負極穩定迴圈,組裝了一種高效能的純矽陽極全固態電池

(ASSB)

。所製備的全電池不僅能夠在高面電流密度

(5mAcm-2)

和寬溫度範圍內

(-20 ℃到80℃)

穩定執行,還可以提供高達11 mAhcm-2

(2890mAhg-1)

的面積容量。研究表明,該電池可以在5mAcm-2的電流密度下穩定迴圈500次,容量保持率高達80%,且平均庫倫效率高於99。9%,是迄今為止報道的微矽全電池的最佳效能。如此優異的效能主要歸因於微矽陽極和硫化物電解質之間理想的介面特性以及鋰矽合金獨特的化學機械行為,從而徹底解決了矽負極存在的連續的介面生長和不可逆的鋰損失等問題。

正略諮詢:【年度觀察】科研界-全球材料技術研究進展十大事件(下)

圖源:Science

無碳純矽全固態電池能夠實現高電流密度、寬工作溫度範圍與高面積容量,並實現長迴圈壽命和日曆壽命,滿足電池安全、持久且能量密度高的要求,有望未來從電網儲存到電動汽車的廣泛應用。

十、在強酸中電解CO2生成多碳產品

資料來源:

CO

2

electrolysis to multicarbon products in strong acid

研發國家:加拿大

發表期刊:Science

科研關注度:237

潛在市場規模:1200億元人民幣

電化學CO

2

還原反應

(CO

2

RR)

可以將CO

2

轉化為有價值的碳基化學品,這為可再生電力儲存和綠色碳迴圈提供了一條有前景的途徑。

CO

2

電催化還原,以二氧化碳為主要原料,經電化學催化還原反應,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、正丙醇等產品。其中,乙醇是二氧化碳電還原反應的主要產物,乙醇的全球需求持續處在高位,其全球市場規模可達到750億美元左右,2020年我國乙醇行業產值約為1000億元,預計2025年乙醇市場規模將達1200億元。

二氧化碳電還原

(CO

2

RR)

作為一種有希望將碳排放轉化為有價值的化學品和燃料的途徑正被積極研究。然而,其產物中多碳產品的含量總是低於2%,並且該反應極易在鹼性和中性反應器中與氫氧化物反應生成碳酸鹽。如果在鹼性和中性環境中試圖從碳酸鹽或陰極和陽極流中回收排放CO

2

,會導致嚴重的能源浪費。

加拿大多倫多大學Edward H。 Sargent院士、David Sinton教授和澳大利亞悉尼大學李逢旺

(共同通訊作者)

團隊等人採用了一種陽離子增強策略來改善強酸

(pH<1)

中的CO

2

活化動力學。在電化學活性位點附近集中鉀離子加速CO

2

活化,從而在酸中實現高效的CO

2

R。團隊在pH<1的條件下實現了銅的CO2R,單次CO2利用率為77%;在電流密度為1。2A/cm2和4。2V的全電池電壓下,對多碳產品

(乙烯、乙醇和1-丙醇)

的轉化效率為50%。相關成果以題為“CO

2

electrolysis to multicarbon products in strong acid”發表在了Science。

正略諮詢:【年度觀察】科研界-全球材料技術研究進展十大事件(下)

圖源:Science

頂部