第一情报 ---材料工业

纳米技术助汽车产业进入“低碳时代”(三)——新能源

供稿人:杨莺歌  供稿时间:2010-2-5   关键字:纳米  汽车  新能源  
2009年3月20日,国家发展和改革委员会发布《汽车产业调整与振兴规划细则》,提出在2011年前,形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能,占乘用车销售总量的5%。可见,发展新能源汽车正是国家政策推动的方向,而纳米技术正可在此领域大显身手。
 
1. 锂离子电池
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、重量轻、体积小、安全性好等优点,已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、摄像机等便携式电子设备中,现在人们正研究将其应用于汽车上。2004年沃尔沃公司展示了锂离子电池概念车,丰田汽车公司宣称将加速开发锂离子电池在混合动力汽车上的应用,高性能电极材料是获得高性能锂离子电池的基础。
碳纳米管的特殊微观结构有利于锂离子的嵌入与迁出,并可为锂离子提供大量的嵌入空间位置,有利于提高锂离子电池的充放电容量及电流密度。而且碳纳米管的筒状结构不仅可使锂离子从外壁和内壁两方面嵌入,又可防止因溶剂化锂离子嵌入引起石墨层剥离而造成负极材料的损坏;碳纳米管特殊的圆筒状构型可保证在多次充放电循环后不会塌陷,循环性好,已被许多研究人员作为锂离子电池负极材料,获得了有意义的研究结果。
 
2009年麻省理工学院(MIT)研究人员发明了一项充电材料表面处理技术,采用新技术的锂离子电池可在几秒内完成充电。采用该项技术的锂电池亦具有高放电速度,因此可用于油电混合汽车的加速,使油电混合汽车的速度可赶上采用汽油发动机的汽车。MIT已对该项技术申请了专利并授权许可给了两家公司。研究人员表示,由于这项新技术是在现有锂离子电池基础上的改进,不需要新材料,所以两年后就将会有商用产品推出。
南昌大学纳米技术工程研究中心宣称已研发成功纳米动力锂电池,并于2009年12月5日,与某厂家签订了价值超过1亿元的订单。以下为近年来国内公开的相关专利。
 
 
名称
申请号
申请日
申请人
聚合物纳米复合材料的制备方法
98104787
1998-2-20
华南理工大学
一种二次锂电池
98117759
1998-9-10
中国科学院物理研究所
一种高速率锂离子电池阴极材料制备方法
2149177
2002-11-28
清华大学;北京市世纪博纳能源技术有限责任公司
一种提高碳纳米管电化学储锂容量的方法
200510063083
2005-4-6
清华大学
高容量锂离子电池阳极材料及制备方法
200510025008
2005-4-8
中国科学院上海微系统与信息技术研究所
混合型水系锂离子电池
200510025269
2005-4-21
复旦大学
一种可调控其颗粒形貌的磷酸铁锂制备方法
200710000683
2007-1-16
北大先行科技产业有限公司
大容量高功率聚合物磷酸铁锂动力电池及其制备方法
200810217461
2008-11-14
东莞市迈科科技有限公司
一种锂离子动力电池及其制备方法
200810162491
2008-11-14
宁波雷天绿色电动源有限公司;浙江大学
一种高比功率高比能量钛氧化物储能电池
200910079508
2009-3-6
清华大学
一种高比能钛酸氢锂纳米管或线的制备方法
200910086945
2009-6-12
清华大学
高比能尖晶石结构钛酸锂材料及其制备方法
200910086946
2009-6-12
清华大学
 
从国内专利来看,目前研究单位并不多,但已有企业介入,这对于研究成果的快速转化具有积极意义。
 
2. 氢能源
 
碳纳米管由于其管道结构及多壁碳纳米管之间的类石墨层空隙,成为最有潜力的储氢材料,并是当前研究的热点。1997年美国国家再生能源实验室首次研究了碳纳米管的储氢能力,推论出纯净的单壁碳纳米管的储氢能力可达到5~10 wt%,而碳纳米管吸附氢气的能力随着管径的增大而提高。自1997年以来,国内外有许多研究组从事碳纳米管储氢研究,可望解决氢燃料汽车所要求的能够工作在室温下的低气压、高容量贮氢技术难题。
目前,碳纳米管储氢应用的主要问题是进一步提高储氢率,探索碳纳米管吸放氢气的条件,研究碳纳米管材料的储氢机理,以及如何在工业上大量制备碳纳米管。按碳纳米管的大致密度1190×103kg/ m3 计算,碳纳米管氢气罐的体积为汽油箱的111倍,完全可以走向实用化。
 
氢能源在汽车上的应用研究发展很快。世界各大汽车公司投入大量的人力和物力进行研究,都推出了燃料电池样车,通用汽车已推出的第三代,车速每小时已可达160km.行驶距离为400km。
 
美国政府曾宣布将投资17亿美元把"氢能"作为新一代能源的重点发展对象。布什政府提出要在未来20年内让美国人开上氢燃料电池动力汽车,日本的丰田、本田也在研究氢燃料汽车。但国内有些专家提出质疑,认为目前燃料电池前景还不明朗,燃料电池汽车不应作为中国未来汽车发展方向。以下为近年来国内公开的相关专利。
 
名称
申请号
申请日
申请人
碳纳米管储氢及其包覆方法
200410014424
2004-3-24
南京理工大学
测量碳纳米管储氢量的方法
200310112502
2003-11-28
鸿富锦精密工业(深圳)有限公司;鸿海精密工业股份有限公司
镍氢电池用电极及其制备方法
200310111995
2003-10-30
鸿富锦精密工业(深圳)有限公司;鸿海精密工业股份有限公司
镁复合碳纳米管储氢材料的制备方法
200510110186
2005-11-10
上海大学
一种高能电池的活性材料
2130846
2002-10-11
清华大学
储氢合金/碳纳米管复合储氢材料
100505
2000-1-20
南开大学
一种碳纳米管高储能电池负极材料及其制备方法
200310101676
2003-10-24
清华大学
碳纳米管储氢及其包覆装置
200420025660
2004-3-24
南京理工大学
储氢金属或储氢合金修饰的一维纳米碳储氢材料
2138977
2002-8-28
武汉理工大学
 
从目前的检索结果来看,碳纳米管在氢能源方面的国内专利申请时间集中于2000-2005年,可能与专家对此的质疑有关。
 
3.    超级电容器
 
在所有的电化学超级电容器电极材料中,研究最早和技术最成熟的是碳材料。从材料的发展趋势来看,主要是基于双电层储能原理,向着提高有效比表面积和可控微孔孔径( > 2nm) 的方向发展。之所以提出可控微孔孔径的概念,是因为一般要2nm 及以上的空间才能形成双电层,从而进行有效的能量储存。而碳材料往往存在微孔< 2nm 的不足,致使比表面积的利用率不高。碳纳米管的优越性包括: 结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔集中在一定的范围内(且微孔大小可控),是做电化学超级电容器的理想材料。
 
碳纳米管主要是在超级电容器中用作电极材料。它的发展只有短短十年左右的时间,现在大多处于实验室研究阶段。2007年日立造船、利昌工业及日本地球环境产业技术研究机构(RITE)联合开发出了利用碳纳米管的大容量电容器,并与电池组合使用进行了电动汽车行驶试验,获得了成功。
 
虽然相关中国专利并不算多,但可发现从2006年起数量开始呈现快速增长态势。主要研究单位集中在北京和上海:北京以清华大学为代表,而上海包括了两所高校和两家企业。
 
名称
申请号
申请日
申请人
碳纳米管用于超级电容器电极材料
132073
2000-12-13
中国科学院成都有机化学研究所
使用新材料的电极的超级电容器以及制做方法
1109703
2001-3-15
李永熙;株式会社日进纳米技术
一种活化碳纳米管的用途
1128835
2001-9-11
中国科学院成都有机化学研究所
多壁碳纳米管/无定形二氧化锰复合物及其制法和用途
200410041356
2004-7-13
南京大学
包括作为粘合剂的硫纳米粒子或金属纳米粒子的碳纳米管电极或碳纳米纤维电极及其制备工艺
200580002370
2005-1-10
KH化学有限公司
用于超级电容器的碳纳米管-聚苯胺复合材料的制备方法
200610019322
2006-6-9
江西财经大学
超级电容器复合电极材料的制备方法
200610105268
2006-12-26
西安交通大学
导电高分子与碳纳米管复合电极材料的制备方法
200610105269
2006-12-26
西安交通大学
牵引型超级电容器
200710114201
2007-10-29
上海中上汽车科技有限公司
牵引型超级电容器
200720029898
2007-10-29
上海中上汽车科技有限公司
超级电容器及其制备方法
200710124246
2007-11-2
清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司
超级电容器及其制备方法
200710124250
2007-11-2
清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司
超级电容器
200710305832
2007-12-27
清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司
一种碳纳米管改性聚苯胺纳米纤维复合材料的制备方法
200710172993
2007-12-26
华东理工大学
一种电化学超级电容器的制备方法
200810032553
2008-1-11
上海纳晶科技有限公司
一种聚吡咯混合式超级电容器及其制造方法
200810101688
2008-3-11
清华大学
一种氧化亚钴混合式超级电容器及其制造方法
200810101687
2008-3-11
清华大学
一种氢氧化亚镍混合式超级电容器及其制造方法
200810111891
2008-5-19
清华大学
以单层石墨材料为电极材料的超级电容器
200810152470
2008-10-24
南开大学
基于聚丙烯酰胺凝胶电解质的碳基超级电容器及制备方法
200910048961
2009-4-8
华东师范大学;上海纳晶科技有限公司
 
 
 
(中国专利均在SooPAT网站检索)
 
参考文献
 
[1]刘政,毛卫民.碳纳米管及其在汽车中的应用前景金属功能材料.2005,12(4).39-43
[2]曾大新.碳纳米管在汽车上的应用. 湖北汽车工业学院学报.2006,20(3).23-27
[3] 26位专家联名上书质疑汽车氢能源技术前景
http://auto.sina.com.cn/news/2008-02-20/1202348296.shtml
[4] 碳纳米管在超级电容器中的应用
http://industry.yidaba.com/dzdgdq/qydt/20892615.shtml

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