无机材料学报 ›› 2022, Vol. 37 ›› Issue (2): 113-116.DOI: 10.15541/jim20211002 CSTR: 32189.14.10.15541/jim20211002
所属专题: 【能源环境】超级电容器(202409)
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曾海波1, 黄富强2,3,4
ZENG Haibo1, HUANG Fuqiang2,3,4
摘要: 人类发展的历史, 也是能源变革的历史, 人类社会的每一次技术革命无不伴随着对能源认识、开发和利用的创新与进步。当下, 我国已经成为全球排名第一的能源生产和消费大国, 并且两个总量还在不断攀升。能源技术是解决对传统化石能源过度依赖及环境污染等问题, 构建合理的社会能源结构, 推进可持续发展, 实现“双碳”减排的关键手段。2020年, 我国以太阳能、风能为代表的可再生能源增长达到全世界的三分之一, 发展迅速。这其中, 能源材料是能源工业和能源技术体系中涉及的特殊材料, 在实现清洁能源的转化和利用, 发展新能源技术, 以及支撑整个能源系统中扮演着核心角色。
近年来, 能源材料在诸多领域取得了广泛而持续的发展, 包括二次电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容器、光电催化、含能材料等。比如, 以高镍三元材料(NCM)为代表的新型锂离子电池正极材料, 正引领着新一代汽车动力电池技术的发展, 以支持更快的充电速度、更久的服役寿命和更长的行驶里程[1-4]。不断提升的储能需求也催生了一系列新型电池技术, 如锂硫[5]、锂空气[6]电池体系, 以及固态电池[7]技术等, 多种技术并行发展。它们在能量密度、经济性、安全性等方面各具优势, 但也存在如锂硫电池中多硫化锂造成的穿梭效应, 锂空气电池中放电产物易堵塞基底的孔道以及固态电池中电解质的电导率不佳等诸多问题, 其技术完善和产业化推动强烈依赖于电极和电解质材料的创新设计和结构优化。同时, 为了提高非化石能源占一次能源的消费比, 太阳能电池作为新能源技术的翘楚, 被寄予厚望。其中, 以钙钛矿为代表的第三代太阳能电池技术已获得与单晶硅相媲美的光电转换效率[8], 让人们对光伏产业的未来充满了期待, 然而其对温、湿、光、氧的敏感性和不稳定性[9], 以及在材料制备过程中难以回避污染环境的含Pb原料, 种种问题仍需从材料的底层设计中寻求解决之道。此外, 以Pt、Pd等贵金属为代表的传统催化剂材料不断优化, 以及开发的新型非贵金属、非金属催化剂, 正逐步提高燃料电池的能量转换效率, 降低其技术成本, 并已取得了一定程度的商业化应用[10-11]。同时, 涉及如CO2还原、固氮等过程的光、电催化新材料与新技术, 也为可再生能源的存储及利用形式提供新的出口, 为2030年完成碳达峰、2060年实现碳中和提供技术支撑[12-13]。
在可持续发展的时代大背景以及竞争激烈的国际前沿科技大环境下, 我国在能源材料的理化机理探索、功能发现、精准设计制备以及先进器件组装等方面做出了许多开创性的工作。为集中展示我国学者在相关领域的研究成果, 推动学术交流, 激发社会各界对能源材料的兴趣, 南京理工大学联合中国科学院上海硅酸盐研究所、华中科技大学等单位组织出版“能源材料专辑”, 专辑收录了能源材料相关的最新研究论文和综述文章, 涉及钙钛矿太阳能电池、半透明太阳能电池、锂离子电池、镁电池、锂硫电池、热电、二氧化碳裂解等。期望该专辑能够抛砖引玉, 为促进我国能源材料的科学研究和学科发展提供有益参考。