大规模发展石墨烯锂电池基本是错误之路全球化石能源将在几十年后耗尽，但是金属锂资源 稀缺，锂电池 无法替代石油2015年全球汽车 保有量11.2亿辆，预计2035年后全球汽车保有量24亿辆，如果都使用电动汽车 ，每辆电动汽车需要碳酸锂 0.05吨，共需要1.2亿吨碳酸锂，而全球锂资源储量约1亿吨碳酸锂当量，其中经济可采的储量约2100万吨，根本无法满足需求。现在全球石油消费中，小汽车只占消费总量的24%（2013年数据）。中国去年消耗石油5.43亿多吨，汽油消费量1.14亿吨，只占总量的21%，主要用在小汽车上。那么，大部分石油消费都跑到哪里去了呢？首先是小汽车之外的交通领域，如公交巴士、运输卡车、轮船、飞机等。这些领域占全球石油消费的29%。另外还有1/6石油作为原料消耗在石油化工上，中国的比例也差不多。国内动力电池的研究主要集中在提高性能方面，对回收利用环节的关注明显不足。现阶段，在电动汽车上应用较广的是锂离子电池，这种电池不含汞、镉、铅等对环境有害的重金属元素，但其正负极材料、电解质溶液等物质却对环境有很大影响。中国汽车技术研究中心预测，到2015年国内动力电池累计报废量约在2万～4万吨，到2020年，我国电动汽车动力电池累计报废量将达到12万～17万吨的规模。如果没有规范的电池回收体系，这些电池无疑将对环境产生巨大危害。对此，很多相关专家忧心忡忡：中国内燃机工业协会副秘书长魏安力在“2012中国汽车产业发展(泰达)国际论坛”上说：中国有300万辆电动汽车，意味着一个乘用车有两组电池，那么就有400万组电池，如果用上四五年以后，这个电池不可降解、回收污染处理的话，那么会给社会造成另外一个污染结构。北京理工大学教授吴锋：“1个20克的手机电池可污染3个标准游泳池容积的水，若废弃在土地上，可使1平方公里土地污染50年左右。试想，如果是200公斤的电动汽车动力电池废弃在自然环境中呢?大量重金属及化学物质进入大自然，将会对环境造成更大的污染。”铝的储量远远大于金属锂，不存在资源限制，但是靠铝离子电池替代石油也是不现实的，因为充电速度的问题，充电电池不如燃料电池，燃料电池是通过加氢来补充能源的，汽车加氢时间和加油时间差不多，飞机和轮船等大型运输工具也可以用燃料电池，但是充电电池即使充电速度再快也没有加氢的速度快，而且汽车的电池是大型电池组，现在所宣称的电池一分钟充电的报道都是对手机电池来说的，而汽车的电池要想一两分钟内完成充电是不可能的，即使技术上可行，充电设备的功率也会极大，如果未来汽车都用充电电池，大量汽车充电时电网就会崩溃。轮船和飞机就更不能用充电电池了，充电时间太长根本等不起啊！未来的汽车、轮船、飞机等大型交通工具需要使用燃料电池，而石墨烯铝离子电池基本上会用于手机等电子设备，锂电池因为原料资源不足、污染环境、容易爆炸未来基本会被淘汰。目前燃料电池的关键问题是催化剂还是只能用铂这种贵金属，而铂的储量也是有限的，非贵金属催化剂正在研发中，尚未成功，据报道石墨烯在非贵金属催化剂研发中也有重要作用燃料电池汽车产业链深度研究报告作者：王莉　　来源：银河证券　　发布时间：2016-7-6 12:49:11按照我们了解到的数据，2015年全球燃料电池销量可能不足2000辆，其中占比最大的是丰田和现代途胜，市场总体规模依然较小。日本调查公司富士经济预测，2030年度燃料电池汽车全球市场规模将超过198万-199万辆，总金额将达4.75万亿日元，而2014年度全球市场规模约为11亿日元，潜力增长空间巨大。那么，现在制约行业发展的主要因素有哪些？解决哪些问题后，燃料电池汽车将大幅放量？我们调研后认为，燃料电池系统价格高、氢气储存运输难、加氢站等基础设施配套不完善、燃料电池企业研发投入大、产业化周期长都是阻碍行业发展的不利因素，但这些不利因素都在逐步发生好的变化。一、成本较高一直是制约燃料电池汽车发展的最重要原因影响燃料电池汽车发展最大的因素是居高不下的成本问题，使用昂贵的质子交换膜、贵金属铂作为催化剂、石墨双极板高昂的加工成本等，导致质子交换膜燃料电池成本约为汽油、柴油发动机成本10-20倍。因此，在所有商业化量产的燃料电池汽车中，最便宜的是丰田的Mirai，在日本售价是700万日元，叠加日本政府补贴后相当于500万日元，对应人民币约30万元。与传统燃油乘用车相比，依然属于价格较高的水平。从氢燃料电池汽车动力系统成本构成来看，占比最大的是燃料电池系统，其造价约占总成本的三分之二，还有氢气储存系统和其他配件。要降低燃料电池系统成本，首要问题就是降低燃料组电池成本。现在燃料电池组的成本是1000-2000美元/kW，如果未来要取得商业化，并与内燃机汽车竞争，燃料电池的成本必须降到50美元/kW。而降低燃料电池系统核心组件成本，迅速扩大销售规模都是大幅降低燃料电池汽车总成本的主要途径。燃料电池汽车产业链深度研究： 政策为帆 “氢”心起航（四）燃料电池组中最重要、成本占比最大的是质子交换膜、电极(催化剂和扩散膜)、双极板。1.质子交换膜是燃料电池的核心，也是成本占比最大的组件目前国内企业主要向美国杜邦公司采购，每平米质子交换膜成本约为400美金以上，一般每辆氢燃料电池汽车需要20平米以上，整车光质子交换膜成本就需要5万元，按照丰田最新Mirai燃料电池汽车售价30万元来算，光质子交换膜就占到整车成本15%以上。燃料电池汽车产业链深度研究： 政策为帆 “氢”心起航（四）2.铂金催化剂成本较高，降低使用量或寻求替代品成为当前的重要研究主题催化剂是发生电化学反应的关键成分，目前质子交换膜燃料电池的阴极和阳极有效催化剂仍以铂和铂碳颗粒为主，铂贵金属催化剂用量大和质子交换膜成本高是燃料电池成本居高不下的重要原因。2014年丰田氢燃料SUV车型每辆车使用的铂金为100克，预计未来将减少到30克左右，按照GFMS预计，2016年铂金平均价格达到每盎司1,005美元，相当于每辆车的燃料电池系统仅铂金催化剂成本就有2万多元，占目前燃料电池汽车整车成本的6%以上。如果整车的催化剂用量真的能够降低到丰田预期的30克，其对应的成本就能降低到6000多元。为了降低铂的使用量，各大公司进行了持续研究，近几十年来，膜电极上催化剂铂的负载量从10mg/cm2降到了0.02mg/cm2，降低了近200倍。比如美国能源部燃料电池技术办公室FCTO用新的d-PtNi催化剂替代了NSTFPtCoMn催化剂，使得燃料电池系统的价格下降了1.85美元/kW；丰田公司力求通过改进铂金材料的镀层技术来降低铂金催化剂的使用量。如果未来贵金属催化剂负载量能够大幅降低，或者能被其他成本更低的催化剂取代，那么燃料电池系统放量的机会也将大幅提升。质子交换膜的大规模应用及其他燃料电池其他部件优化，都会给燃料电池系统带来较大的成本下降空间。3.表面改性的多涂层结构金属双极板将大幅优化镀层成本双极板是输送和分配燃料的重要组件。过去主要用石墨制作双极板，它具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，但石墨的脆性造成了加工困难，因此加工费用非常高，加上比较不易减厚度，因此综合成本较高。近两年，金属板如不锈钢、铝、钛、镍等材料具有强度高、加工性能好、导电导热性强、成本低等优点，开始在部分领域替代石墨双极板。不过金属板在高温及酸性环境下易腐蚀，因此主流做法是在金属双极板表面镀上金属防护层。我们认为，表面改性的多涂层结构金属双极板具备更大的发展空间，也能解决石墨双极板存在高成本问题。比如，瑞典Impact Coatings公司推出的一种Ceramic MaxPhase陶瓷涂层，将其涂在不锈钢板上来防腐蚀，该技术在节约成本上体现出显著优势，可将燃料电池的镀层成本降低到每千瓦5美元，并有望提早达到2017年美国能源部目标的每千瓦1美元。4.规模化生产也会使得燃料电池系统价格下降规模生产也将大幅降低燃料电池成本，因此，成本下降和销量上升是相辅相成的关系。根据美国能源部燃料电池技术办公室(FCTO)的研究，当生产1000套质子交换膜燃料电池系统时，燃料电池堆栈的成本为154美元/kW，燃料电池系统的成本为216美元/kW而生产10000套质子交换膜燃料电池时，燃料电池堆栈的成本大幅下降到了61美元/kW，燃料电池系统大幅下降到103美元/kW。以丰田Mirai为例，其燃料电池系统输出功率为114kW，如果年生产1000辆燃料电池汽车，每辆车的燃料电池系统价格为2.4万美金，而生产10000辆燃料电池汽车，每辆车的燃料电池系统价格仅为1.2万美金。燃料电池汽车产业链深度研究： 政策为帆 “氢”心起航（四）总之，经过对构成主要成本的关键组件质子交换膜、催化剂和双机板进行成本优化，同时加速推动规模化生产，燃料电池汽车的成本就能大幅下降。以丰田为例，其于2014年12月15日推出的燃料电池汽车Mirai在日本的售价为700万日元左右，享受政府补贴后500万日元，折合人民币29.85万左右，已经达到初步向市场推广的基础。石墨烯类膜材料质子输运特性研究取得突破性进展 燃料电池和氢技术有望迎来革命性进步来源:中国科大新闻网2014-11-27近日，我校工程科学学院近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室的吴恒安教授和王奉超特任副研究员，与诺贝尔物理奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授课题组及荷兰内梅亨大学研究人员合作，在石墨烯类膜材料质子输运特性研究方面取得了突破性进展，发现石墨烯以及氮化硼等具有单原子层厚度的二维纳米材料可作为良好的质子传导膜。该成果以“Proton transport through one-atom-thick crystals”为题于11月26日在线发表在国际著名期刊Nature上，我校吴恒安教授是该文共同通讯作者。石墨烯是一种由碳原子按照六角蜂巢晶格排列而成的单层网状二维材料，二维氮化硼纳米材料也具有跟石墨烯相似的六角网状结构。传统观点认为，任何气体分子或流体分子，哪怕是最小的氢原子，都无法穿透不含缺陷的完美石墨烯片层。最新研究表明，质子可以较为容易地穿越石墨烯和氮化硼等二维材料。而且，升高温度和加入催化剂可显著促进这一过程。吴恒安教授课题组在该项工作中做出的核心贡献是采用第一性原理计算模拟了二维纳米材料的电子云密度分布，解释了质子穿透的微观机理，并通过计算机模拟分析了质子通过石墨烯和氮化硼二维材料的能垒，进一步对该过程给出了定量化的描述。该发现有望为燃料电池和氢相关技术领域带来革命性的变化。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，是一种能源利用效率高而又不污染环境的理想发电技术。然而，目前采用的质子传导膜普遍存在燃料渗透的问题，成为限制燃料电池技术进一步推广应用的瓶颈。如采用石墨烯和氮化硼等单原子层二维材料作为质子传导膜，可使得现代燃料电池变得更轻、更高效。该研究成果不仅为人类认知石墨烯及氮化硼的材料特性带来了全新发现，而且将二维纳米材料和氢相关技术这两大热点领域紧密地联系了起来。Nature网站以首页头条形式第一时间对该成果进行了报道。同期Nature的新闻视点栏目（NEWS &VIEWS）以“Materials science: Breakthrough for protons”为题对该成果进行了重点评论和展望。麻省理工学院的Karnik教授在评论中指出，质子传导膜是质子交换膜燃料电池的核心所在，本项研究取得的突破性进展在理论上已经达到美国能源部设定的2020年质子交换膜输运性能目标。吴恒安教授课题组同Geim教授课题组保持着长期稳定的合作关系。此前双方的两篇合作文章分别于2012年和2014年发表在国际著名期刊Science上（Science, 335 (6067): 442-444, 2012，Science, 343 (6172): 752-754, 2014）。激光石墨烯材料可替代铂 用作燃料电池催化剂2015-09-28 09:04:41 来源： 科技日报OFweek激光网讯：近日，美国莱斯大学Tour实验室的研究人员成功开发出了一种成本更低的燃料电池催化剂解决方案。该催化剂利用激光使得石墨烯与各类金属纳米颗粒结合，同时结合后得到的金属激光氧化物嵌入石墨烯本体内，该催化剂可以在电化学氧化还原反应中保持很高的活性，而且其金属负载率低于1at%（原子百分数）。综上所述，此种激光石墨烯可代替昂贵的铂而用作燃料电池催化剂。　　另外，研究人员在《ACS纳米》杂志公开发布的论文中提到，纳米粒子可以通过添加不同的添加剂形成金属氧化物或金属硫化物等不同的形态，从而使得该化合物能够在其他制氢反应等电催化反应中保持活性。　　在去年，JamesTour和其同事共同发明了激光石墨烯。而所谓激光石墨烯是一个表面由聚酰亚胺曝光后形成的多孔石墨烯组成的柔性膜物质。起初，研究人员是利用买到的聚酰亚胺片来制作激光石墨烯。后来，他们将硼浸入液体聚酰亚胺中来生成激光石墨烯，以此来提高其储存电荷的能力，使其成为非常有效的超级电容器。　　在最近的一次实验中，实验人员将含有三种不同浓度的钴溶液分别和铁或者钼金属盐进行融合，每一个混合物冷凝后就可以形成片，之后再用红外线激光进行照射，然后再在750摄氏度的高温下用氩气进行加热。　　上述过程产生的MO-LIGs与10纳米的金属颗粒一起均匀分布在石墨烯中。实验显示，这些物质可以催化氧还原反应，这也是燃料电池中最为基础的化学反应。制氢过程可以通过在金属中加一些硫磺来用作氧化还原反应的催化剂，本质上来说制氢是将水催化为氢的过程。石墨烯代替铂 日本新催化技术有望降低燃料电池成本2014-12-18 13:37:00第一电动网日本研究人员最近开发出一种新型电极,利用特制的石墨烯材料替代铂作为催化剂,来制造燃料电池车所需的氢燃料。这种电极能够电解水,在为燃料电池车服务的加氢站,如果用它来生产燃料,可以大幅降低成本。 燃料电池车是利用车上装载的氢与空气中的氧进行化学反应产生的电来驱动车辆。由于燃料电池车只排放少量的水,几乎不排放其他污染物质,被认为是清洁的下一代汽车。然而燃料电池车的电池成本居高不下,原因之一就是电池中需要使用“白金”——铂作为催化剂。科学界因此一直在研发用其他廉价材料作为替代催化剂。日本东北大学助教伊藤良一率领的研究小组,尝试用石墨烯作为替代催化剂。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构新材料,价格不高。研究人员先利用片状石墨烯制作出立体结构,然后用气相沉积法给立体结构镀上氮和硫。结果发现,镀上的氮和硫的量越多,就越能高效催化制造出更多的氢。研究人员指出,如果在石墨烯催化剂中再加入镍,其制氢能力就可以超越铂催化剂,预计将此技术市场化后,可以使燃料电池成本大大下降。石墨烯与钴成为燃料电池的强大催化剂。时间:2015-10-23 分类:石墨烯资讯 来源:石墨烯产业网石墨烯材料以其独特的超片层结构、超高比表面积、良好的导电性等重要特性,而被认为在制备高性能燃料电池催化剂方面具有重要的潜在应用价值。最近的一些研究工作表明,通过选择合适的制备方法和前驱体制备的改性石墨烯,对于氧还原反应具有一定的活性,可用作燃料电池阴极催化剂。莱斯大学和中国科学院的同事们，德州大学圣安东尼奥分校和休士顿大学的同事们已经报告了一种以石墨烯为基础的坚固，固态的催化剂，能取代昂贵的铂氢的发展。钴掺杂石墨烯对燃料电池图像的有效催化。研究人员已经表明，石墨烯，掺杂有氮和钴原子增强，是一种有效的和持久的催化剂，用于生产氢从水。这可以用于燃料电池，在其他应用程序中。目前有关石墨烯应用于燃料电池阴极催化剂的研究工作主要集中在两个方面:一是通过表面改性后直接作为燃料电池非贵金属阴极催化剂;二是将改性石墨烯作阴极催化剂载体而制备活性组分高度分散的高性能催化剂。尽管有关改性石墨烯的氧还原活性中心的结构尚不明确,然而由于这类材料在酸性及碱性环境下对氧还原的良好的催化性能,对改性石墨烯的研究已成为探索燃料电池非铂催化剂的新途径。科学家们认为，这项工作是独一无二的，因为它使用的是原子而不是金属颗粒（甚至是金属纳米粒子），因此它可以是小的。此外，他们还补充说，在这个过程中，原子驱动的催化有没有金属原子在他们旁边，所以它是用极少量钴做催化剂，近匹配的最佳铂催化剂。在对比试验中，新材料的近相匹配的铂的效率，开始反应在低的起始电压，它需要的电量，开始将水分解成氢气和氧气。新的催化剂是混合的溶液，可以减少到一个纸张，如材料或用作表面涂层。虽然单原子催化剂已实现在液体中，它们很少在表面上实现的。这是一个优点，因为这种结构可以使建筑电极，它应该很容易地集成到设备。虽然铂碳催化剂仍拥有最低的起始电压，这些石墨烯为基础的是非常接近它，更容易产生和数百倍便宜。随着这类材料的催化性能的不断提高和对表面-活性关系认识的不断深入,改性石墨烯材料在燃料电池方面将具有广阔的应用前景。锂电池受资源约束只能是过渡性产品，燃料电池才是更有前途的电池，而石墨烯在燃料电池中同样会起到重要作用，国内在燃料电池研发方面已经落后国外五到十年，中国恐怕要等到2030年才进入燃料电池时代，而国外在2020到2025年基本就进入燃料电池时代。

声明：如本站内容不慎侵犯了您的权益，请联系邮箱：wangshiyuan@epins.cn 我们将迅速删除。