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        無鉛儲能陶瓷:從“小眾”走向“大眾”

        2021-07-29 04:32:39
        中國科學(xué)探險(xiǎn) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:化學(xué)物理研究

        最近,化學(xué)圈、材料圈和物理圈都在關(guān)注一則消息:在近日公布的《2020研究前沿》報(bào)告(以下簡稱報(bào)告)中,核心論文篇數(shù)和被引頻次這兩項(xiàng)指標(biāo)并不突出的無鉛儲能陶瓷,竟然在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域Top10熱點(diǎn)前沿中排名第一。

        無鉛儲能陶瓷如此出眾,受訪專家并不意外,他們均提到“環(huán)?!焙汀澳茉础边@兩個關(guān)鍵詞。

        “無鉛”相對的就是“含鉛”。作為有毒的重金屬,鉛對人體及環(huán)境的影響已廣為人知。儲能陶瓷一般含有鉛元素,如鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等,其中100克鈦酸鉛中鉛含量高達(dá)68克。

        隨著愈發(fā)嚴(yán)格的環(huán)保要求以及能源行業(yè)轉(zhuǎn)型的需要,“含鉛”變“無鉛”成為儲能陶瓷領(lǐng)域新的研究方向。

        “小眾”無鉛儲能陶瓷憑借著“新”,逐漸走進(jìn)大眾,但這僅是讓更多人了解無鉛儲能陶瓷,距離真正走進(jìn)生活還有待時(shí)日。

        從能源“大熱”說起

        根據(jù)報(bào)告,無鉛儲能陶瓷在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域Top10熱點(diǎn)前沿中,核心論文篇數(shù)僅有33篇,排名第六;被引頻次2130次,更是排在倒數(shù)第一。但無鉛儲能陶瓷領(lǐng)域核心論文的平均出版日期最近,為2017年9月。

        相關(guān)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),無鉛儲能陶瓷領(lǐng)域最早論文發(fā)表在1997年前后,起初只有10篇左右;到2010年,發(fā)表量也未過百。無鉛儲能陶瓷研究熱潮從2014年開始,此后熱度不減。

        上述結(jié)果得到了西南大學(xué)材料與能源學(xué)院教授劉崗的肯定,他及其團(tuán)隊(duì)在統(tǒng)計(jì)相關(guān)論文時(shí),也得到類似的結(jié)論?!敖?年來,無鉛儲能陶瓷的論文發(fā)表量雖然不是直線上升,但也一直呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢?!眲徴f。

        巧合的是,2014年后也是能源領(lǐng)域論文開始增長的階段。

        于是,有分析認(rèn)為,無鉛儲能陶瓷方向之所以“熱”,并不是學(xué)科研究方向發(fā)展的自我突破,而是在整個能源大背景下的“再發(fā)掘”。原因在于,早期對無鉛儲能陶瓷的研究集中在介電過程,而沒有將其同更綠色的能源應(yīng)用關(guān)聯(lián)到一起。

        “可再生能源的間歇性特點(diǎn)限制了其利用,解決這一問題的關(guān)鍵是,將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能存儲在裝置里。”安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院教授汪春昌介紹道。

        目前電能儲存裝置主要有化學(xué)儲能裝置,即電池和固體燃料電池;電化學(xué)電容器;介電儲能電容器?!敖殡妰δ茈娙萜鞲黜?xiàng)指標(biāo)相對更優(yōu)?!蓖粢瞬C合分析發(fā)現(xiàn),如果能提高介電儲能電容器儲能密度,則可減小儲能裝置的體積,使得其在小型化、集成化的電路系統(tǒng)中的應(yīng)用更廣泛,甚至有可能超過化學(xué)儲能裝置和電化學(xué)超級電容器在儲能裝置中的應(yīng)用水平。

        儲能陶瓷正是介電儲能電容器所使用的重要材料,其具有較大的介電常數(shù)、較低的介電損耗、適中的擊穿電場、較好的溫度穩(wěn)定性、良好的抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn),使其在耐高溫介電脈沖功率系統(tǒng)有應(yīng)用前景。然而,目前儲能性能優(yōu)異的儲能陶瓷一般含有鉛元素。

        2019年7月1日,歐盟修訂的《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》有關(guān)鉛的豁免條例正式實(shí)施。其中,條例明確指出電子電氣器件的玻璃或陶瓷(電容中介電陶瓷除外)中的鉛,或玻璃或陶瓷復(fù)合材料中的鉛的豁免最長至2024年。

        “上述條例對儲能陶瓷器件還沒有明確的規(guī)定,”中國礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院副教授蔡子明在采訪時(shí)表示,“但從環(huán)保的角度而言,開發(fā)高性能無鉛儲能陶瓷是十分迫切的。”

        儲能密度和效率要兼顧

        無鉛儲能陶瓷由于具有高功率密度和快速充放電能力,其主要應(yīng)用領(lǐng)域是功率變換和脈沖功率系統(tǒng)。但專家也表示,含鉛陶瓷的優(yōu)異性能目前還難以在無鉛陶瓷體系中實(shí)現(xiàn)。

        就弛豫鐵電體而言,景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)教授沈宗洋說,近年來弛豫鐵電體作為儲能電容器的研究越來越深入,報(bào)道的儲能密度和效率均很高,但其并沒有反鐵電的場致鐵電轉(zhuǎn)變特征。在他看來,最可行的方法是用無鉛的反鐵電陶瓷替代含鉛的反鐵電陶瓷。

        “考核”儲能陶瓷的兩個關(guān)鍵指標(biāo)為儲能密度和儲能效率,兩者無法分開已成為業(yè)界共識。就目前的研究來看,儲能密度依然被當(dāng)作基礎(chǔ)和核心,在保證高儲能密度的基礎(chǔ)上,通過成分改性或結(jié)構(gòu)改性等手段來提高儲能效率?!叭绻麖膽?yīng)用角度來看,需要對儲能效率給予更多關(guān)注?!眲徴f。

        蔡子明表示,無鉛弛豫反鐵電體系的研究,為無鉛儲能陶瓷的研究打開了新的思路。

        據(jù)悉,李飛課題組的研究就屬于這一種。該課題組報(bào)道的NBT-SBT弛豫反鐵電陶瓷體系,兼具了高極化強(qiáng)度、高擊穿場強(qiáng)和高儲能效率,是最有希望商用的無鉛儲能陶瓷體系之一。但當(dāng)前報(bào)道無鉛的弛豫反鐵電陶瓷體系較少,源于將反鐵電陶瓷調(diào)控為弛豫反鐵電陶瓷具有一定的難度。

        除此之外,基于高性能的無鉛儲能陶瓷體系,制備出多層陶瓷電容器(MLCC)是當(dāng)前研究的最大熱點(diǎn)。但蔡子明說,考慮到成本,開發(fā)高性能抗還原無鉛儲能陶瓷體系具有重要意義。

        學(xué)科融合促發(fā)展

        無鉛儲能陶瓷原本屬于凝聚態(tài)物理范疇,但因?yàn)樯婕暗健安牧?能源”,這一領(lǐng)域被看成是化學(xué)、材料和物理之間契合點(diǎn)的產(chǎn)物?!皩τ跓o鉛儲能陶瓷的研究,亟須不同背景的研究者深入交流,為高性能無鉛儲能陶瓷的研究和應(yīng)用提供更多新的解決方案。”蔡子明說。

        “無鉛儲能陶瓷的研究是材料、物理與化學(xué)的強(qiáng)交叉?!辈套用鬟M(jìn)一步解釋道,材料學(xué)是無鉛儲能陶瓷研究的基礎(chǔ),對于無鉛陶瓷材料的宏觀組成、晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌、電疇形貌等的研究均是材料學(xué)中的重要方法。對于無鉛陶瓷介電常數(shù)和介電損耗以及極化電場響應(yīng)對溫度或頻率的變化等內(nèi)容的理解,都需要以電介質(zhì)物理或鐵電介電物理為基礎(chǔ)。而對于無鉛儲能陶瓷的制備,無論是固相法還是化學(xué)法等,都離不開化學(xué)學(xué)科。

        就目前而言,無鉛儲能陶瓷仍為“小眾”,大部分研究人員來自于傳統(tǒng)的電子陶瓷類研究機(jī)構(gòu),一些物理和化學(xué)類頗有名氣的機(jī)構(gòu)較少涉足這一領(lǐng)域。

        劉崗在英國伯明翰大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí),研究主攻方向是陶瓷成型工藝。2013年回國后,基于西南大學(xué)的研究特色,特別是關(guān)注到專家學(xué)者主持的科技部“973”項(xiàng)目后,劉崗開始轉(zhuǎn)向功能陶瓷方向,關(guān)注無鉛儲能陶瓷。

        劉崗介紹,他們團(tuán)隊(duì)分別從鈦酸鋇基和鐵酸鉍基無鉛儲能陶瓷體系出發(fā),近期已陸續(xù)取得了一些重要進(jìn)展。

        隨著國家的重視及越來越多研究人員的進(jìn)入,中國在無鉛儲能陶瓷的研究水平越來越高?!澳壳皣鴥?nèi)對無鉛儲能陶瓷的研究手段更加豐富,研究范圍更加全面。”蔡子明說。

        而這一點(diǎn)也在與報(bào)告同時(shí)發(fā)布的《2020研究前沿?zé)岫戎笖?shù)》(以下簡稱《指數(shù)》)上得到印證。根據(jù)《指數(shù)》,在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域,中國的研究前沿?zé)岫戎笖?shù)得分為39.49分,是美國的2.7倍,排名第一,具有明顯的研究前沿研究活躍度比較優(yōu)勢。其中,中國在無鉛儲能陶瓷研究熱度指數(shù)得分為3.11,排名第二的美國僅為0.59。

        但劉崗仍強(qiáng)調(diào),只有不同學(xué)科深度融合,才能源源不斷地產(chǎn)出創(chuàng)新性成果,進(jìn)而為無鉛儲能陶瓷真正服務(wù)于國家需求與社會發(fā)展提供可能。

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