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1、编辑尧版式院李晓明 校对院王剑圆园10年11月8日星期一 栽藻造押渊园员园冤82616610 耘原皂葬蚤造押B3技 术进展物理储能升温发展规模蓄电技术要自主创新在国家自然科学基金等 项目的资助下，南京大学邹 志刚课题组利用人工光合成 反应，将二氧化碳转化为碳 氢化合物燃料，这在利用光 催化反应实现碳的循环利用 方面具有积极的意义，相关 研 究 结 果 发 表 在 近 期 的 Angew. Chem. Int. Ed. 和 J. Am. Soc. Chem.杂志上。 近年来，全球气候变化 的矛头直指 CO2。如何探索 有效地控制大气中 CO2的 含量，引起了有关环境、 材 料、化学等多学科科学家
2、的 极大兴趣。一些科学家也在 探索如何变废为宝，利用 CO2作为能源来源。一种可 能的技术路径是在常温常压 下，利用光催化材料将 CO2 高效转化为碳氢化合物， 如 甲烷等碳氢化合物燃料。 但是， 打散 CO2分子并 合成燃料用碳氢化合物需 要耗费大量能量。因此， 开 发高效太阳能转换光催化 材料已成为当前国际材料 领域为解决能源和环境问 题所进行的重大前沿科学 探索之一。 光催化材料可以分成第 一代和第二代，第一代光催 化材料主要是紫外光响应 型，其典型的代表材料是 TiO2。第一代光催化材料只 能利用太阳光中的紫外光， 而紫外光只占太阳光能量的 4%左右，可见光 （400750nm）却占太
3、阳光能量的 43%。 早在 2001 年， 邹志刚等 人发现了 In0.9Ni0.1TaO4光催 化材料并应用于光解水制 氢，实现了将太阳能转化为 化学能， 论文发表于 自然 杂志。该工作发展了一种全 新的具有可见光活性的新型 复杂氧化物催化体系，代表 了第二代可见光响应型光催 化材料体系研究的开始。 此后，邹志刚课题组又 成功地开发了一系列新的材 料体系。 此次， 课题组及其合 作者利用介孔 NaGaO2胶体 为模板， 通过离子交换方法， 在室温下成功合成出了 Zn- Ga2O4介孔光催化材料。将 介孔 ZnGa2O4用于 CO2的 光还原，成功地实现了将 CO2转化为碳氢化合物燃 料。 该
4、课题组还采用溶剂热 法， 合成出数百微米长、 厚度 仅为 7nm（相当于 5 个晶胞 厚度） 、长 / 径比高达 10000 的 Zn2GeO4单晶纳米带。由 于 Zn2GeO4具有一维单晶纳 米结构，从而极大地降低了 电子和空穴的复合几率， 在 CO2光还原转化为碳氢化合 物燃料反应中表现出较高的 催化活性。 据悉，拓宽光催化材料 的光响应范围， 提高 CO2转 化为碳氢化合物燃料的效率 是科学家下一步研究的目 标。（陈欢欢）我国学者在二氧化碳转化为 碳氢化合物燃料方面取得进展综 述阴中国工程院院士 杨裕生科学时报 2010 年 10 月 11 日发表 张华民研究员题为 大规模高效储能离我
5、们有多远？ 的文章， 论述了规模储能的重 要性， 对比了各种技术的优缺点， 突出介 绍了液流电池蓄电技术， 特别是全钒液流 电池蓄电技术。本文提出些补充意见， 希 望对蓄电技术问题的讨论能够深入一步， 认识能够全面一些。一、 化学法规模蓄电的重要性针对电网的 “昼夜峰谷差” 调节的需 要，抽水储技术已很成熟而且难以替代， 而且随着核能发电的发展， 抽水储电站益 显重要。太阳能发电， 从总体上讲正好补 充电网白天用电高峰之需， 只是云层的影 响引起短时间发电量的波动， 要求以蓄电 进行调节。 （ “太阳能白天发电， 蓄电留着 晚上用” 的逆向 “调谷” 模式， 难得经济效 益， 在路灯等局部有些
6、使用价值， 不宜规 模推行。） 风能发电受风速的影响更难捉 摸， 因而是规模蓄电的主要服务对象。但 是几十万千瓦 “整起整落” 、 响应缓慢的抽 水储技术很难与之匹配， 从而显出了化学 法规模蓄电在风能发电中应用的重要性。 用电大户的蓄电和军用蓄电更应使用化 学法规模蓄电。二、 各种化学蓄电技术水平正在快速提高各种用途对规模蓄电的要求各有侧 重， 应综合考虑需求目标和蓄电手段。高 安全可靠性是规模蓄电的首要要求， 装置 的工作温度范围、 比能量、 易维护性、 环境 友好性也应是考察的内容。 各种蓄电装置性能的比较是相对的， 而且是随着各自的技术进步而变的， 既不 可过分强调某些性能以偏盖全，也
7、不可 “一眼看死” 而认定它无出头之日。 以铅酸 电池为例， 过去认为它循环寿命短， 而国 外 70%DOD 情况下循环寿命可达 4500 次 （2005 年） 乃至 6000 次 （2009 年） 。如果 我国过去 10 年中有支持燃料电池的十分 之一的力度来支持铅酸电池的研发， 其循 环寿命短的问题绝不会有今天如此大的 差距。“运行和维护费用高等缺点” 其实也渐成历史，现在我国已能大量生产密封 胶体免维护铅酸储能电池了。 至于 “失效 后的回收难题” ， 也要实事求是分析。垃 圾箱里什么样的废电池都常见，唯独见 不到废铅酸电池！哪儿去了？全都回收 了。可见， 铅酸电池的回收并不是难题， 而
8、且是最为完全彻底的。现在的问题是， “山寨” 型作坊用土法从废铅酸电池中提 取铅会造成环境污染，其根本原因是政 府部门没有及早、 认真对待。这一点， 对 比一下国外铅酸电池的回收、再生政策 措施， 情况就很清楚了。据了解， 最近有 关部门已开始重视，不失为亡羊补牢之 举；一些有社会责任心的大型铅酸电池 公司也在筹建环保型的铅再生厂，虽然 他们明知这是亏本的买卖。希望政府部 门能出台系统的政策、 措施， 下大决心把 这件好事领导好、 办到底。 综合衡量安全性、 成熟性、 经济效益 等因素， 铅酸电池占有较大优势。国外 最大的铅酸电池 蓄电站容量 40 兆瓦 时， 10 年前就建成了；我国也已有了
9、百 千瓦级的装置。江苏双登集团表示愿意 提供兆瓦级铅酸电池参与演示蓄电站 的建设。 锂离子电池技术进步速度飞快， 真 可谓日新月异。有些前几年还存在的问 题， 到去年、 今年就已解决或基本解决 了。目前国家电网和南方电网正用锂离 子电池分别建设演示性兆瓦级风电场 蓄电站和调峰蓄电站， 是大规模应用的 前奏。特别令人关心的电池安全性问题 的解决也有很大进展， 天津大学与天路 公司合作研制成功的 400 安时钛酸锂 磷酸铁锂电池被称为 “木头电池” ， 就是 一例。三、 规模蓄电技术经济效益的判据作为商业运行的规模蓄电， 经济效益 必须作为一个十分重要的问题加以考虑。 应该有客观的判据来统一衡量各
10、种不同 类型蓄电装置的经济效益。 我们将蓄电装 置的初始投资、 能量转换效率、 充放电深 度、 循环寿命、 维护成本五项性能与电能 的 “进价” 、“出价” 挂钩， 推导出包含此七 项指标的关系式， 以计算规模蓄电装置的 经济效益指数YCC 指数 （如图所示） 。 （论文将发表在 电池 杂志上） 当计算出的 YCC 指数值 1 时， 表 示蓄电企业盈利。 遗憾的是， 按照目前收集的参数代入 上式计算， 除长寿命的铅酸电池和超级电 容器外， 锂离子电池、 钠硫电池等大部分 的化学电源在规模蓄电中尚不能取得经 济效益。四、 赞成大力发展液流电池蓄电技术规模蓄电就是一个典型的战略性新 兴产业。正因为
11、是新兴产业， 其发展路径 尚在探索中， 技术更远未成熟。应该有选 择地安排几种蓄电技术在竞争中发展， 在 发展中竞争， 未来让市场作裁判。 液流电池体系繁多， 笼统地说具有能 量转换效率较高、 循环寿命长、 蓄电容量 大、 选址自由、 可深度放电、 系统设计灵 活、 安全、 与环境隔绝而难形成污染、 维护 费用较低等优点， 是发展前景很好的大规 模高效蓄电技术之一。所以， 我赞成发展 液流电池蓄电技术， 选择有优势的体系加 紧研究， 继续克服缺点， 提高水平， 将上述 潜在的优势转化为现实的优势， 全面地在 同一个液流电池上发挥出来。五、 要一分为二评价全钒液流电池技术现在， 我国正在形成全钒
12、液流电池的 研发热潮， 这与全钒液流电池基本具有上 述液流电池的优点分不开， 也因为我国有 一定的钒资源。 但是要请注意， 北京普能世纪科技有 限公司以 300 万美元收购了加拿大 VRB 公司，经济危机只是 VRB 公司支撑不下 去的客观因素； 住友电工 （SEI） 作为日本 钒电池的开发商和供应商， 前不久来人宣 称，该公司从 2006 年起已停止生产新的 全钒电池， 停止生产的原因是在日本没有 市场， 并称其全钒液流电池系统的总能量转换效率仅 60%左右。 钒和离子交换膜成 本高造成电池系统价格昂贵， 也是此电池 的一个弱点。 维护费用主要取决于蓄电装 置的复杂程度和稳定性， 固态电极的
13、电池 似乎更占优势！ 所以， 我既赞成研发全钒液流电池技 术， 充分发挥其优势， 又建议不要都去跟 风、 走 “独木桥” 。六、 要大力发展有自主知识产权的液流电 池新技术我不赞成将“国外有应用的实例” 作 为我国选择、 支持研发蓄电技术 （以及任 何其他技术） 的重要根据。 要认清， 这是一 条扼杀自主创新的大棒！这种片面性的思 维逻辑在我国科技界 （尤其是我国的科技 管理部门） 有相当的普遍性， 副作用不小， 切切不可助长。张华民研究员在其作为首 席科学家的 “973” 计划 “大规模高效液流 电池储能技术的基础研究” 项目中， 就特 别安排了一个专题研究液流电池新体系。 在此专题中， 我
14、们重点研究单液流电池新 体系， 其负极活性物质为流动的液态氧化 还原电对，充电时活性物质在负极上沉 积， 放电时溶回电解液； 正极活性物质为 固态， 与通常的电池类似。现在， 碱性溶液 的锌 / 镍单液流电池和酸性溶液的铜 / 铅单液流电池， 在面容量高、 寿命超长的 正极制备技术、制止负极枝晶生长技术、 内并外串电池成组技术、 旁路电流截止 技术、 单液流电池系统集成与控制技术等 关键技术都已取得突破性进展， 申请了若 干专利， 并已制成小型样机。这类有完全 自主知识产权的单液流电池只有一个溶 液， 故不需用昂贵的离子交换膜； 电池结 构简化， 制作成本降低； 活性物质价格低 廉， 显示出强
15、劲的竞争力。相信它们在 “十 二五” 期间将会得到大力支持， 加快工程 化研究，及早进入批量化生产技术开发， 以满足急迫的规模蓄电需要。YCC 指数 =电价出电价进能量转换效率-循环寿命充放电深度输出 1kWh 的运营成本+输出 1kWh 的初投资阴郑入瑞在各种储能技术中， 化学储能的发展 速度一直领先于物理储能。 但今年 7 月初， 英利集团透露了下一个高投入、 高风险和 高产出项目飞轮储能设备， 预计今年 年底将推出第一批样机，“十二五” 期间将 生产至少 45 万台。 除了飞轮储能， 抽水储能一直以来被 广泛应用，而另一种新的物理储能方 法压缩空气储能也受到越来越多的 关注， 同时， 中
16、科院电工研究所的科学家 对超导储能的研发也取得进展。可以说， 随着能源体系对储能技术需求的提升， 一 直以环境污染小， 运行稳定性高著称的物 理储能技术正在迅速升温， 开始与化学储 能竞争主角地位。飞轮储能： 充放快捷、 能量密度最大早在上世纪 50 年代， 瑞士欧瑞康公司 就开发出飞轮储能巴士。但此后三四十年 间， 由于高速旋转飞轮驱动、 飞轮轴承摩 擦等问题都难以解决， 飞轮储能技术发展 非常缓慢。 飞轮储能系统由高速飞轮、 轴承支撑 系统、 电动机、 发电机、 功率变换器、 电子 控制系统和真空泵、 紧急备用轴承等附加 设备组成。谷值负荷时， 飞轮储能系统由 工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转， 以动能的形式储存能量， 完成电能到机械 能的转换； 出现峰值负荷时， 高速旋转的 飞轮作为原动机拖动电机发电， 经功率变 换器输出电流和电压， 完成机械能到电能 的转换。 与其他形式的储能技术相比， 飞轮储 能具有使用寿命长、 储能密度高、 不受充 放电次数限制、 安装维护方便、 对环境危 害小等优点。飞轮储能功
