21世纪颠覆性材料技术的发展现状

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2017-12-24 环球过滤分离技术网

颠覆性材料技术发展现状及其对传统能源的潜在影响

姚子修　金　旭　李建明　魏松波　雷丹妮

中国石油勘探开发研究院

    当前, 全球能源消费仍以化石能源为主, 但非化石能源, 特别是可再生能源发展已经势不可挡, 其对传统化石能源地位的冲击正开始显现。非化石能源的快速发展与能源领域科技创新密切相关, 正是由于一批具有颠覆性特征的新材料、新技术不断涌现, 推动了非化石能源跨越式发展。因此, 对于传统化石能源企业, 及时了解、掌握能源领域相关的颠覆性材料技术发展现状, 准确研判其发展趋势以及对传统能源的潜在影响, 对指导企业转型发展具有重要意义。

一、颠覆性技术及其重要意义

颠覆性技术 (Disruptive Technology) 是指可对传统技术产生替代, 从而对相关领域的产业发展产生颠覆性效果的技术。颠覆性技术最早是由哈佛大学商学院教授克莱顿·克里斯坦森 (Clayton M.Christensen) 于1995年在《颠覆性技术的机遇浪潮》一文中首先提出的。颠覆性技术打破了传统技术的思维和发展路线, 是对传统技术的跨越式发展。例如, 数码照相技术对胶片照相技术的颠覆和替代。

颠覆性技术在科技发展与产业变革中的意义十分重大。从历史上看, 颠覆性技术是工业界发生革命性变革的第一动力, 其中又多以颠覆性材料的出现和成熟性使用为标志。从未来发展趋势看, 第四次工业技术革命或即将来临, 技术革命的核心是信息技术和材料革命性发展。美国、俄罗斯、法国等世界大国都已将颠覆性材料技术作为占领科技制高点的先手棋, 正下大力气开展攻关研究并已取得重要进展。

从能源领域看, 人类近代已经历过煤炭替代薪柴、油气替代煤炭的过程, 引领这两次替代的关键就是作为颠覆性技术的蒸汽机及内燃机的发明和使用。随着人类社会的不断进步, 新的能源必将出现并完成对传统化石能源的替代, 而颠覆性技术也必将在能源替代过程中发挥核心引领作用。特别是最近一段时期, 能源领域正成为颠覆性材料技术创新最活跃的领域之一, 高效储能技术、燃料电池技术、纳米材料技术等具备颠覆性前景的新技术苗头不断涌现, 这些技术哪怕有一项走向成熟, 都可能在能源领域产生颠覆性影响, 对传统化石能源行业产生重大冲击。因此, 能源企业亟需跟踪研究相关材料技术发展趋势与潜在影响, 以便早作筹谋。

二、能源领域需要重点关注的颠覆性材料技术

我们在调研国内外能源新材料技术发展现状基础上, 根据技术发展前景及其对传统能源替代作用的研判, 筛选出7项需要能源领域重点关注的颠覆性材料技术, 按照技术成熟度及潜在影响力排序介绍如下。

2.1 纳米技术纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸 (0.1~100nm) 或由它们作为基本单元构成的材料, 具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特征。当前纳米材料技术创新步伐很快, 功能纳米材料是纳米材料科学中最富有活力的领域, 碳纳米管、石墨烯、黑鳞等新型高性能纳米材料正不断涌现。其中石墨烯材料已成功用作锂离子电池电极、太阳能电池电极和超级电容器, 带动了相关技术突破。纳米材料技术是能源领域众多新技术发展的基础与支撑, 未来发展前景十分广阔, 可直接应用于储能、燃料电池、太阳能发电等技术领域, 推动这些技术的颠覆性创新, 从多个方面对传统化石能源地位产生冲击甚至替代。另一方面, 纳米材料技术也可应用在传统能源领域, 促进传统能源勘探、开发及利用方式的进步, 例如纳米油藏机器人、纳米智能驱油剂等技术已见到苗头, 值得能源企业重点关注。

2.2 高效储能技术储能技术是通过储能电池将电能与化学能之间进行存储转化以解决能量储存问题的技术, 是未来能源革命最重要的突破方向。目前太阳能、风能、电动车等产业的发展一直受制于储能技术瓶颈, 即电池发展瓶颈, 因为发电和用电、充电和用电的时间差问题都需要储能技术解决。近年来, 国内外在金属—空气电池、锂—硫电池、钠—硫电池等领域创新步伐逐渐加快, 其中金属—空气电池具有原材料丰富、安全环保、能量密度高等优势 (表1) , 是储能电池领域重点攻关方向。剑桥大学已研发出容量为3000W·h/kg的锂—空气电池, 是现有锂离子电池的8倍, 大大提高了电池性能和效率, 下一步的目标是降低成本, 实现商业化。高效储能电池可带动电动汽车出现爆发式增长 (图1) , 必将大幅降低油气燃料消耗量, 对油气生产与加工企业造成重大冲击。同时储能技术突破将破解太阳能和风能发电的间歇性问题, 提高可再生能源发电的可靠性与稳定性, 推动可再生能源发展, 抑制传统化石能源发电业务。

2.3 新型太阳能发电技术太阳能发电技术是利用太阳能光伏电池将光能转化为电能的技术。随着晶硅制造成本在过去10年大幅降低90%, 太阳能的发电成本相比火力发电等传统技术已经有一定的竞争力, 未来在成本进一步降低后有望取代火力发电成为主流发电模式。近年来国内外都在大力研发、推广新型光伏发电技术, 主要研究领域集中在钙钛矿太阳能电池、叠层结构太阳能电池、太阳能空间发电及传输技术等。其中, 钙钛矿太阳能电池5年内转化效率提升6倍, 达到22%, 具有替代传统硅太阳能电池的潜力;叠层结构太阳能电池发电效率已见到有超过30%的报道。新型太阳能发电技术将大幅提升太阳能发电经济性, 大幅提高可再生能源在能源供应中的比重, 直接抑制传统化石能源如煤炭、石油、天然气发电业务, 对传统化石能源企业产生巨大冲击。

2.4 燃料电池技术燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的技术。氢燃料电池因具有发电效率高、反应产物无污染等优势成为研究重点, 氢燃料电池汽车作为一种真正意义上的“零排放、无污染”载运工具, 是未来新能源清洁动力汽车的必然方向。氢气的低成本制备及安全储运是关键, 当下焦点是降低成本和加氢站建设。目前研究人员已开发出太阳光解水产氢、电解水产氢技术、碳纳米管或多孔材料储氢技术并投入使用。丰田公司推出的Mirai氢燃料汽车充注只需3~5min, 最大续航里程可达700km。按当前发展趋势预估, 短期内氢能技术实现大规模应用还有较大难度。据国际能源署IEA预测, 2030年氢燃料电池汽车在世界汽车销量中比重约占2%~3%;2040—2050年氢燃料制备、运输、存储等技术可能会逐渐成熟, 届时氢能可成为主导能源, 在交通运输领域大量替代油气能源, 氢经济时代 (Hydrogen Economy) 将来临, 对油气能源企业产生颠覆性影响。

2.5 超级电容器技术超级电容器是介于电解电容器和电池之间的一种新型储能技术, 具有充电时间短、使用寿命长、节约能源且对环境无污染等特点, 应用前景十分广阔, 降低成本、增强性能是加快超级电容器应用的必由之路。超级电容器能帮助汽车、轨道交通及可再生能源发电等领域更好地实现节能与减排, 超级电容器可与新能源汽车电池搭配形成高效环保的电源组合, 提高新能源汽车能效, 也可应用到风光发电领域, 提高可再生能源发电稳定性。目前, 美国Maxwell公司已将超级电容器应用到上万辆混合动力客车, 油耗降低了25%。中国中车株洲电力机车有限公司研制的高比能石墨烯超级电容“比能量密度”高达11W·h/kg, 比目前美国、韩国等国水平提高了一倍。超级电容器产品有望在5~10年内实现快速发展与广泛应用, 推动新能源汽车及可再生能源发展, 可能会间接抑制油气消耗, 对油气能源企业产生负面影响。

三、能源企业开展颠覆性技术跟踪研究的建议

新材料的发现、开发与应用是推动颠覆性技术走向成功的决定因素。建议能源企业抓住颠覆性材料这一关键, 优选对自身主营业务可能产生重大影响的颠覆性材料技术, 未雨绸缪, 凭借既有资金与人才优势, 超前开展研究与跟踪, 为公司未来业务转型发展提供决策支撑。

建议相关能源企业建立专门研究团队, 开展颠覆性材料技术跟踪研究, 超前研判新材料技术给公司主营业务发展可能带来的机遇与挑战, 科学预测能源发展与替代趋势, 提出颠覆性材料技术攻关方向, 为公司业务发展与转型提供技术依据。

建议相关能源企业设立超前研究项目, 以功能性纳米材料、储能电池等颠覆性材料技术为切入点, 联合国内外优势研究机构, 开展探索性、前瞻性研究, 研究方向包括: (1) 功能性纳米材料设计开发, 以石墨烯、黑磷、钛系等新型材料为基础, 开展材料内外部结构设计和功能改性研究, 探索纳米材料在油气及新能源领域的新应用; (2) 新型金属电池材料研发, 开展镁铝基金属电池材料结构设计, 研发金属电量调控技术, 研制新型金属电池; (3) 储能电池电极材料设计开发, 逐步开展钛酸锂、碳系、磷酸铁锂、三元合金等电极材料的研发, 提升电池容量、循环寿命、快速充放电等性能, 完善电池组装工艺及性能评价测试技术; (4) 光伏电池电极材料设计开发, 建议开展钙钛矿光阳极材料设计, 开发无毒化吸光材料, 攻关商业化电池器件制备技术。

四、结束语

虽然目前暂时还没有支柱性替代能源产生, 传统能源还将在未来一段时间内保持主体地位, 但从人类社会发展规律看, 新的能源形式出现符合发展大势, 也是众望所归。当前颠覆性材料技术发展速度日新月异, 已经为能源新技术革命奠定了良好基础, 随着颠覆性材料技术创新由量变达到质变, 能源新技术革命在不久的将来必将到来, 正如英国煤炭工业的消亡, 传统化石能源也终将退出历史舞台。基于此, 传统化石能源企业一定要立足当前、谋划长远, 加强对能源领域颠覆性材料技术的跟踪与超前研究, 提前布局相关的新能源领域, 方能在未来发展中立于不败之地。

来源：姚子修 金旭 李建明 魏松波 雷丹妮，中国石油勘探开发研究院

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