思睿讲坛第188期:张久俊
作者:校团委   来源:校团委    点击数:次   发布时间:2018/01/11
关键字

 

各位老师,各位同学上午好,今天是第188期思睿讲坛的一个全校范围的,跨院的活动,我们有幸请来了加拿大科学院理工学院的2名院士:张 教授及其团队的核心张磊教授为我们带来精彩的讲座,在这里,我们为远道而来的2位同胞表示热烈的欢迎。

在会议开始之前,我校材料学院的教授(也是我校的 校长)也与两位教授作了深刻的交谈,并且也邀请两位教授在适当的时候一定要多眷恋我们湖北大学,我们也希望在座的莘莘学子们也能够通过这次学术交流,让 教授和张磊教授引领大家打开新能源燃料电池的大门,今天这个会议是来自于计信学院、物电学院、材料学院、化学学院以及资环学院的一些同学们,由于同学们的踊跃参加,我们自己为自己鼓掌!

接下来先介绍一下院士,然后再请张院士为我们带来精彩报告。张 教授是加拿大皇家科学院院士、加拿大工学院院士、国际电化学学会学士、英国皇家化学学会学士、国际电化学能源科学院创始人主席兼总裁、英国哥伦比亚大学 大学、北京大学、 大学、巴西联邦 大学等15所大学及学术机构的荣誉或兼职教授。现在是在上海大学可持续能源研究所理学院担任院长。张教授也是加拿大联邦政府国家研究院的首席科学家。2014-2017年被选为全球科学工程界论文最高引用(top1%)的科学家之一,同时被 社评为全球最具影响力的科学家之一。

张教授至今发表了科学论文报告450多篇,被引用了27000多次,译著22本专著,现任多部知名国际丛书的主编以及多个国际期刊的编委,并担任加拿大国家自然科学基金与技术的重要基金评委。我们计信学院的黄 教授有幸是张 院士的学生。黄 教授在加拿大作访问学者时也在这边 多年,同学们如果未来想去拜读两位教授,可以多与黄 老师取得联系。接下来有请张教授为我们做可持续能源发展与新能源汽车动力电池的精彩报告,大家欢迎!

首先非常感谢院长的邀请。今天非常高兴和荣幸来到湖北大学和老师同学们作交流。实际上,黄老师是十年前在我们加拿大国家研究院做过博士生,我一直觉得他非常有能力,所以说我很长时间的愿望都是来湖北大学看看,今天非常有幸黄老师邀请我来,刚才介绍的校长和院长,大家给了我非常高的热情,我非常感动,在此感谢各位学校的领导以及老师和同学能参加今天的报告会。今天我主要是讲一下关于国际上可持续能源的发展以及新能源汽车动力电池这方面的目前处境以及目前我们要克服的挑战。那么在讲之前,我想和大家讨论一下我们国家目前为什么要发展新能源,这实际上有2大驱动力。一是人类可持续生存和发展离不开新能源,这是大家的共识。能源是无处不在的,无处不有,我们目前的生存和发展离开了能源是无法想象的,所以第一大驱动是人类生存和发展离不开可持续能源的支撑。二是人类可持续发展需要一个无污染环境。加入我们每天处在深度雾霾的一种情况,人类肯定不可能持续发展,所以我们需要一个可持续无污染能源的条件,这样我们才能更好地发展,更好地持续发展。这2大驱动力促使世界必须发展新能源,那么再看一下目前能源总体状态,可分为2大部分:一是可再生能源,即可持续能源,包括水利能、水力发电能、生物能、太阳能、风能、海洋能等,它们基本是太阳辐射造成的,叫做可再生能源;二是化学能,即自然给人类留下的自然资源,如煤、石油、天然气,核能等,用一点少一点,在讲之前还想给大家回顾一下关于地球碳平衡的问题。

黄色白色箭头指的是空气中的二氧化碳可以溶解到土壤海洋中,由于气候的变化,有一部分二氧化碳要跑到空气中,有一些二氧化碳被植被吸收,另一部分动植物生产过程中捕捉二氧化碳。整体空气海洋陆地形成一种二氧化碳的碳平衡,保证了地面生物体的生存,但由于工业革命后人类知道怎样使用化学能源,这样造成了多余的碳进入空气中,比如二氧化碳。多余的碳对环境造成了影响,主要来自于煤、石油、天然气等,二氧化碳整体每年排放31.6 ,其中一部分溶解在陆地和海洋中,但在空气中剩余14 ,主要来自于建筑,生产业及能源汽车行业。空气中多余的二氧化碳造成了温室效应。由于二氧化碳在空气中,太阳辐射产生的热量不能及时排出,地球的温度上升。那么温室效应对地球负面作用一是冰川可能被融化,降雨降雪旱涝等逐步变成一种常见现象,如温度升高,水源减少。因为温度升高,冰川融化,整个海平面温度上升,很多陆地被淹了,稀缺水源越来越少,疾病传播,野生物种消失等,都有可能是温室效应造成的。但目前也有种说法是:地球温度上升是由于地球的演化,不相信温室效应问题,但目前科学证明有二氧化碳作用,造成了温室效应。那么目前燃料化学能源还能烧多长时间,这里主要是指4个主要化学能源:天然气、石油、煤、核燃料等;第二列是世界总数量,即目前世界存储总量,包括目前可预测到的,全球每年用量在第3列。假如计算这2列会发现化石能源大约可烧到150年,150年内,化石能源可能被人类消耗掉,所以即使把现在能源使用效率提高一倍,也只是300年,300年在总体历史长河中相当于 年,所以我们不光要提高能源使用效率,同时也要大力发展新能源,可持续能源技术,这个发展刻不容缓。再看看目前世界总体能源消耗来源,可看到使用的汽油占36%,天然气26%,碳20%,核能8%,新能源目前只占9%左右,很小的一部分。这10%中还有一大部分是生物质能源,它是一种可持续能源但不一定是一种清洁能源,因为把生物质能变成电能过程中可能造成环境污染。真正的清洁能源是水利能、太阳能、风能、潮汐能等。

为什么可再生能源只占9%呢?存在4个强大挑战:1、可靠性不足,即比如太阳能风能与天气有关,这种能源如果作图,横坐标代表时间,纵坐标代表能源,实际上是像噪音一样的图,产生的电是废电,所以要把这种能源真正利用上必须保证整体曲线平滑,这样才能被真正利用;2、运输和分配很困难。各地气候不同,所以产生的电能也是不同的,运输分配困难;3、不可靠性所以电网困难,把不稳定电输入电网中会扰乱电网;4、成本高,投资成本高,回收率时间长。为了解决这些挑战,必须发展高性能可靠清洁能源,存储技术,这是非常重要的。存储技术主要有一下几种:1、电化学方法。包括电池、燃料电池、超级电容器、二氧化碳核源等,这是目前存储最可靠可行的方法;2、飞轮。电化学大的飞轮转起来后,在用电高峰时把飞轮储电重新机械转换为电能;3、空气压缩机。把空气高压成电,再用压缩机压缩到地下,用时放出来,把机械能转换为电能;4、泵送水电,大水库中水位达到一定程度一定要放水,但下端不用电,下面放水的同时产生电带动抽水机把水抽入到附近水库中,用电时水库放电。电化学方法这里列出将近10种,包括锂离子电池、液流电池、燃料电池、铝流电池、铝电池、二氧化碳超级电容器等都是电化学能源存储转化剂。

其中我们说的电化学技术都可以用清洁能源储存和转换,关于这个我们团队在过去十几年编出了二十多本英文书。基本上每一本书里面都包括一种电化学技术,其中红的这本书是我的第一本书,是目前出版社卖的最好的一本书,已经达到了十二万次。大家如果有兴趣的话可以到网上打上我的英文名字就可以看到这本书。那么,下面我讲一下电化学技术的优点。它有哪些优点?这里面我列出了几个。第一个,它在各种地面运输,能源储存以及便携式微电子方面都有广泛的应用,这是它的很大的一个优势。第二个,我们可以根据你所需要的能量和功率来调节电池的大小以及不同的尺寸,这是电化学能源储存的第二个优势。那么第三个优势呢?就是它可以用无线,我们可以把能源带在身上,比如手机的电池可以移动,第四个呢,它的能源转换效率非常高,这个是我们热力学的卡诺循环做不到的,因为这个电化学能源储存最高可达到百分之九十以上,另外一个是我们的电池可充电,反复充放电使用,另外一个所有的电化学电池在操作中对环境不造成污染,这是电化学能源技术的几大优点。那么,电化学能源应用的范围呢?我们说应用范围非常宽,包括从我们的小城市电子设备里面的线路板,手机,计算机,家用汽车,公共汽车,以及大的电站里面都有广泛的应用,那么我们看大的电站里面,在未来,我们说智能电网里面,电化学设备必将会成为最重要的设备,尤其现在我们发展清洁能源,我们发展微电网,微电网里面电话里面的装置必然成为最最重要的一个设备。另外一个,我们从人类能源总体策略上看,电化学能源在里面起到一个至关重要的作用,在未来我们使用太阳能,风能,水电能,清洁能源,那么怎么样来利用这些电呢?比如说,电解水产生氢气,氢气通过燃料电池产生电,输到我们可移动的用户上,另外一个呢,就是把清洁能源直接发电储存到电池或者超级电容器送到可移动的用户上。这是我们未来整体能源的一个策略。其中,电化学起到一个最核心的作用,那么,下面我讲一讲关于电化学能源装置的几个大的评判标准,这里面我列出了五个。安全性是我刚刚加上去的,也非常重要。第一个,能量密度,能量密度是一个什么意思呢?就是一个电池里面包含了多少能量,假如你包含的能量很多,那就比较好,比如说我们手机里面,现在手机每天频繁用的话,手机用一天就要充电,如果能量密度高的话可以用两天,可以用三天,可以用四天,这就是我们的能量密度。比如汽车里面的电池,假如能量密度很高的话那么续航里程就很差,现在我们用的锂离子电池,汽车最多跑几百公里,两三百公里,我们需要跑六百公里,能源密度就要提高,第二个大的标准是功率密度,功率密度是什么呢,我们电池里储存的能量在多长的时间能够全部放掉,比如说我们的汽车里面用的话我们就需要电池在我们启动的时候给出一个很大的能量,这个时候功率密度不够的话就提供不出来,功率密度就是在短时间内把所有的电放出来,这是第二个要求,第三个呢,我们说循环寿命,电池能循环多少次,比如说我们手机,充电用完了之后充电能充多少次,现在用的锂离子电池用完了以后再充,我估计最多用一年的时间,循环寿命一定要长,充电次数要多。第四个,价格。价格必须比较便宜,不能太贵。太贵的话没法进行商品化。第五个,安全性,我们的这个使用的电池并不安全,使用的过程用发热,燃烧,这也不行。主要以五大标准衡量一个电池但是不可能五大标准都满足,某一个电池完全满足这五个条件这是不可能的,这取决于自己的要求。这个就是我们很有名的功率密度对能量密度的一种作图,这个角就是我们汽车里面用的内燃机的能量密度和功率密度,底下是几个包括超级电容器,电池,以及燃料电池它们的功率密度。我们可以看到,总体电池比起我们汽车里面的要小的多,我们朝这个方向进入高能量密度高功率密度。那么这个地方,按照我们的四大标准,能量密度,功率密度,寿命,价格,我列出的几种典型的电池,包括锂电池,硫电池,燃料电池,超级电池等等,我们可以看到,它们的能量密度都是不一样的,功率密度也不一样,寿命也不一样,价格更不一样。你要根据你的不同的应用选择不同的电池。今天我们要讲的是汽车里面应用的动力电池。所以,我们要了解这几种电池,一种是铝氯电池,一种是铅酸电池,燃料电池,以及超级电容器,这样几种电池,是汽车里面最有可能被实用化的电池。下面,我详细的介绍一下车用的动力电池。铝氯电池,现在基本上应用的,大街上跑的电动汽车基本上用的都是铝氯电池。铝氯电池因为它的能量密度和功率密度比较高,所以被选了用作新能源汽车的动力电池。其实电化学反应中很简单的负极反应与碳形成一种化合物。在正极上发生还原反应产生电能。这个是铝氯电池目前研究的状况,上半部表示我们目前已经使用了的铝氯电池的正极材料,但是正极材料处在一种平静的状态,基本上能用的材料都已经试过了,下半部是铝氯电池负极材料,一个电路里面装上电池以后的电压,上面正极的电压减负极的电压就是电池的电压。正极材料已经达到了一种平静,但负极材料研究的硅碳材料,金属氧化物材料等等能量密度很高就使用它,但是这些新材料有一个问题,那就是在充放电过程中产生膨胀。现在都在发展负极材料上,怎样减少膨胀等等这方面的工作。然后铝氯电池,我刚刚说了有很多的优势。第一个呢,最大的优势是能量密度和功率密度都很高,这就是为什么选泽在汽车上用。但是呢,铝氯电池也有它的劣势。比如说我们目前在新能源汽车的的应用寿命还不够,循环次数还不够。循环次数目前能达到一千多次,一两千次,这个不能满足我们汽车工作十年的一个范围。然后,第二个是铝氯电池的安全性目前还存在问题。因为它使用的都是有机的电解质,用大电容的话就会发热,不能及时的挪出去的话就会燃烧爆炸,这是安全问题。尤其是我们现在早发现三元的正极材料,能量密度很高,三百多万。这个材料由于能量密度高,稳定性差,也可能产生爆炸或者是燃烧。所以说它也有它的劣势,那么我目前主要的研究方向还是在新型纳米材料,提高能量密度和功率密度,尤其在负极材料上。第二个呢,提高循环寿命和减少充电时间,我们通过在正极材料上实行怎么包附,在充放电过程中不至于开裂这些方面做一些工作来提高循环寿命。第三个,我们要改进它的组成模式,提高它的安全性,就是说把它的热及时的传出去。这是铝氯电池目前研究的三个方向。那么,这是我们团队过去合成的很多铝氯电池的负极材料,包括氧化物这些材料。这些材料结构外面是一种材料里面是不同的材料,这样就能减少它的膨胀,这是我们以上做的一些工作。那么,我刚才讲的第一个是铝氯电池,第二个是新能源汽车应用的燃料电池。燃料电池实际上有很多种,但是最重要的一种燃料电池就是我们质子交换膜燃料电池,温度在八十度到九十度之间。质子交换膜燃料电池负极上是氢气,氢气作为燃料,反应生成氢离子,氢离子通过质子交换膜到正极,正极是空气里面的氧,碰到质子变成了水。整个电池进去的是氢气,出来的是电能加上水。所以,它是非常清洁的,这是燃料电池很大的一个优势。 它最大的优势是它的转换效率,氢的转换效率可达到百分之九十五,另外功率密度很高,因为氢气只要进去马上电就出来,另外能量密度也很高,所以它被选为新能源汽车的动力电池,这种优势决定了它很大的用武之地。但是,燃料电池目前为什么还没有达到商品化,第一个是它比较贵,燃料电池使用的催化剂,使用的膜,使用的双极板等等都很贵。但是,催化剂是最贵的,占百分之四十七。主要是燃料电池很贵,目前大家都在研究怎样来降价,使实用商品化。另外一个,目前在汽车里面应用的燃料电池,它的寿命还是不够长,还没达到我们真正商品化汽车的一个寿命,还是要在这方面努力。主要的研究方向,是发展新的催化剂,膜电极,双极板,在这方面做巨大的努力。然后,降低材料的价格。然后提高寿命,这是第二个大方面。然后,减少阻径,简化燃料电池系统,减少价格,这是三个方向。然后,我想跟大家强调一点,质子交换膜燃料电池是目前世界公认的电动车的终极电源。为什么呢?因为它烧的是氢气,氢气是我们人类未来能源主要的一类。 它必将成为电动车的终极电源。在各国都在发展燃料电池,那么,因为燃料电池性能突出,表明按照能量密度,清洁指数,能量范围,续航里程,安全性来说,我们看红的这个线,它还是有一个很大的优势。燃料电池市场潜力巨大,在2025年可以达到220亿美金,其中质子交换膜燃料电池占98.6%,市场潜力很大。目前,各国都在发展质子交换膜燃料电池,开发这个用燃料电池的汽车,包括美国,日本,韩国,欧盟等等这些国家都在发展,它们有各自的目标,2025年,2030年这样的目标。全球主要经济体都将发展燃料电池作为他们国家的战略。所以,这非常重要。国外目前燃料电池汽车已经达到了第三代燃料电池示范,尽管没达到商品化,但已经达到第三代燃料电池示范。这个国内状况,已经有很多科技公司,以及国家科技部大力支持。燃料电池,也作为我们国家新能源汽车主要发展的一个方向。那么,在这个方面,我们也做了一些工作,在燃料电池合成了很多催化剂,比如说这是一个合就结构的催化剂,里面是一些硫和铂,这样一是降低铂的用量,因为铂很贵,另外一个是来对抗一氧化碳中毒,在有一氧化碳存在的情况下,没有合就结构的催化剂,燃料电池的抗性比较低。,加入后,有明显的抗一氧化碳的效果,第三个,可以用做动力电池的是铅酸电池。铅酸电池可能比较熟悉。这个电池是一个比较古老的电池,但是是非常成熟的电池,但是它的能量密度相对比较低。

但是它的能量密度相对比较低,我们可以靠,它有几大优点,第一个,所有电池中,铅铵电池是最便宜的,第二个,它是最可靠的,第三个,他是最安全的电池,第四个,它是可再生的,用完以后,至少有百分之九十的材料可以再利用,所以这几大优势证明,铅铵电池不可能被其他电池所替代。但是它也有它的问题,比如说它的能量密度比较低,功率在30-40w,寿命不长。所以在燃料电池方面,我们要发展轻量化的铅铵电池,用碳取代铅满,从而增加它的能量密度,减少它的重量。另外一方面我们要增加它的寿命。目前铅铵电池的市场是最大的,到2025年,它的市场还是走上升线。车用电容器,它的功率密度特别高,循环次数可达上百万次,它的问题是能量密度低,可以发展新的电解材料和电解质来提高它的性能。金属工艺电池,能量密度高。能源是人类发展的永远的追求,尤其是新能源汽车上市场潜力非常大。针对汽车的应用上,我们要发展燃料电池,锂电池,金属工艺电池等。进一步增加能量密度,功率强度,适用寿命,以及减少成本。备用电网的应用,我们要发展燃料电池。

提问环节:同学A,刚刚讲到燃料电池,你觉得负极氧化物的电池在汽车上有什么应用?

教授:这个问题非常好,极氧化物的电池在汽车应用上非常大,但是不能单独使用,必须要和另外一种材料混合使用。

同学B,氢气燃料电池会不会充电更快?教授;当然会快,几分钟就能充好。

同学C:按照国家标准,充一次电能泡120公里,往往跑8公里就会显示使用了一半,我想问的就是,国外和国内的电池相比,国外电池它的燃料,续航能力都普遍的比国内的要好要快,从产业的角度,差在哪里,中国目前哪方面可以进步一下?

教授:我认为差不在电池上,中国的电池已经做的相当的不错了,差在整体控制设计上,我们中国缺少科学家,缺少工程师。就目前情况来看,中国从国外要重点引进优秀的工程师。

张磊教授(简介与成就)

电化学能源存储与转换的报告

教授:非常感谢今天能在湖北大学和大家一起讨论新能源技术,锂离子第拿,以及大家用的电子器件,电动车,燃料电池,它们有一个共同的特点,高能量密度,能量密度与里程有很大的关系,现在全球都在开发锂离子电池,电解材料,电解质等,都是为了提高它的能量密度,从而提高城电动车的续航里程。还有一种超级电容器技术,和其他能源技术有点不太一样,它有很突出的特点,能量密度不够,功率密度特别大,有瞬间供给能量的能力,是其他电池不能比的,所以现在超级电容器技术开发与研究比较热门,但是它不能作为一个独立的二次存储电源,但是它可以作为一个辅助电源。

 

『责任编辑:杨丹』
本文关键字:

上一条:思睿讲坛第190期:叶翠微 下一条:思睿讲坛第187期:董平



编辑推荐