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        來源:Frontiers in Energy 發布時間:2022/6/23 11:09:54
        選擇字號:
        FIE | 前沿視點:面向碳中和的液態金屬技術研究進展與展望

        論文標題:Emerging roles of liquid metals in carbon neutrality(面向碳中和的液態金屬技術研究進展與展望)

        期刊:Frontiers in Energy

        作者:Yueguang DENG, Jing LI , Ertai E

        發表時間:14 Jun 2022

        DOI:10.1007/s11708-022-0829-5

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        近日,本刊發表了來自北京理工大學鄧月光副教授的觀點文章(Viewpoint): Emerging roles of liquid metals in carbon neutrality,介紹了液態金屬材料在促進碳中和方面的優勢,闡述了典型液態金屬技術在碳中和領域的節能減排作用,分析了液態金屬碳中和技術在應用方面的挑戰,并展望了液態金屬碳中和技術的廣泛應用前景。

        #1 中國實現碳中和現狀簡述

        2020年9月,中國承諾在2030年前二氧化碳排放達到峰值,并在2060年前實現碳中和。中國作為世界上最大的能源消費國和碳排放國,其二氧化碳排放量約占全球總量的三分之一。2020年,中國的排放總量約為13 吉噸二氧化碳當量,其中來自能源體系的二氧化碳排放超過11 吉噸。碳排放的主要來源包括發電和供熱、工業、交通、建筑,分別約占能源系統碳排放的48%、36%、8%、5%。要想在2030年前實現二氧化碳排放達峰,則有賴于三個關鍵領域的進展:提高能效、發展可再生能源以及減少煤炭消耗。

        #2 液態金屬的優良特性及其在碳中和領域的典型應用

        技術創新是實現碳中和的重要驅動力。目前,低熔點液態金屬已成為一個重要的研究課題。此處,液態金屬是指低熔點合金(主要是Ga基和Bi基合金)及其復合材料?;谝簯B金屬優異的物化性質,如低熔點、高熱/電導率、獨特的催化性能、流體性質和無毒性,其在促進碳中和方面具有出巨大的應用潛力。圖1顯示了液態金屬技術在碳中和領域(發電、工業、運輸和建筑)中的典型應用。

        圖1 液態金屬技術在碳中和領域的典型應用。

        (1) 發電

        在發電領域,為實現碳中和,預計可再生能源發電量(主要是風能和太陽能光伏發電)將在2020年至2060年間增長六倍,將能占總發電量的80%左右。液態金屬對流技術有著優越的對流傳熱系數(>10000 W/(m2·K))、高沸點(>1500°C)和電磁驅動特性,因而可用于太陽能聚光光伏和碟式太陽能發電。高性能液態金屬冷卻不僅可提高光伏電池的能量轉換效率,還能提升系統的穩定性。研究發現,液態金屬散熱系統可以解決100 W/cm2的熱流密度,相當于可為聚光比為1000的聚光光伏系統提供有效冷卻,并顯著提升單位電池面積的功率輸出。此外,基于鉍基或錫基合金的液態金屬對流可應用于高溫碟式太陽能熱發電系統(>600°C)。與熔鹽相比,液態金屬具有更高的沸點和熱導率,使得碟式發電系統可以高溫傳熱/儲熱,并獲得更高的發電效率。

        在儲電領域,高效率低成本的儲能系統是解決風能和太陽能產電間歇性問題的關鍵。液態金屬電池結構靈活、成本低、制造方便、循環壽命長,故在此方面具有廣闊的前景。液態金屬電池是由三層液體組成的電化學電池,其液-液界面賦予了其優越的動力學傳輸特性,可以在高達2 A/cm2的高電流密度下運行。其液態金屬電極消除了枝晶生長,使長周期壽命成為可能。當前,用于電網規模儲能的典型液態金屬電池主要基于Mg–Sb、Li–Sb–Pb、Li–Sb–Sn和Ca–Mg–Bi電極,在高溫(200–600°C)下工作,能量密度和材料成本分別約為100–200Wh/kg和60–300$/kWh。對電極設計和界面化學的持續研究與突破,將提升液態金屬電池作為未來大型儲能系統的潛力。

        在輸電領域,液態金屬電界面材料作為降低輸電損耗的替代材料受到了大量關注,其電導率(約5×106 S/m)遠優于傳統電界面材料。與傳統導電界面材料相比,液態金屬電界面材料可將電纜接觸電阻降低約30%,從而顯著降低電網電損耗,提高系統安全性。由于電網線損占總傳輸電能的3%–5%,預計電網中液態金屬電界面材料的使用可有助于每年減少約千萬噸的二氧化碳排放量。

        (2)工業

        對于大宗商品(如粗鋼、水泥、鋁、紙和初級化學品)的工業生產,節能對減少碳排放具有顯著效果。在高溫煉鋼工業中,由于液態金屬的高對流換熱性能和高溫(>1000°C)下優異穩定性,液態金屬余熱回收具有突出優勢。高溫鋼渣的常規快速冷卻通常是通過噴射冷卻水來實現的,這會導致顯著的熱能浪費和環境污染。液態金屬對流可以有效地將鋼渣從1500°C冷卻到700°C,并產生飽和或過熱蒸汽,隨后用于汽輪機發電。典型液態金屬余熱回收系統的鋼渣處理能力約為50噸/天,系統成本約為500000美元,但年經濟收益(蒸汽生產和節水)可超過200000美元。就環境效益而言,每年可節約10000噸以上的冷卻水,同時減少約千噸的碳排放量。

        (3)運輸

        氫動力燃料電池車/船/飛機是實現長途綠色運輸的重要方式,而液態金屬催化制氫具有高能量密度和環境友好的特點,可為汽車、水下航行器、飛機和火箭提供一種有前景的供能方法。液態金屬制氫劑(LMHGCs)主要由Al和Ga–In–Sn合金組成。LMHGCs的成本約為3–10美元/千克,與水反應時可獲得1立方米/千克的氫氣產量。液態金屬制氫劑可按需實時制氫,避免了氫能源汽車對儲氫罐的需求并減小了高壓儲存易燃氣體的風險。LMHGC產生的機械能雖然比汽油少約40%,但卻提供了一種不涉及溫室氣體排放的環保駕駛體驗。此外,液態金屬制氫反應產物還可以循環使用,可通過系統優化進一步降低成本。

        (4)建筑

        供暖和制冷約占中國建筑總能耗的65%。對于數據中心,冷卻直接決定了其能耗和碳排放。液態金屬熱界面材料(TIMs)是界面傳熱領域的一個重要進展,可以有效冷卻大功率芯片,降低冷卻功耗。液態金屬TIM的熱導率(10–80 W/(m·K))遠高于傳統TIM,因此保證了更好的冷卻性能。對于數據中心(典型芯片熱流密度為10 W/cm2),研究表明當使用液態金屬TIM代替傳統硅脂時,芯片溫度可降低10°C。故可同時提高冷卻系統的送風溫度,從而降低20%–40%的冷卻能耗?;跀祿行牡木薮竽芎?,液態金屬TIMs的大規模應用可望在中國每年減少數千萬噸的碳排放量。目前,液態金屬TIM在數據中心、數字貨幣采礦機和LED照明等建筑節能應用中已具備出色的經濟可行性和碳減排實用價值。

        (5)碳捕獲、利用和儲存(CCUS)

        到2060年,CCUS技術將完全抵消工業和運輸部門的剩余排放。液態金屬催化劑可實現室溫下CO2轉化為固體碳的連續電催化反應。液態金屬催化劑由溶解在低熔點金屬溶劑(如Ga、Sn、Bi和In)中的活性金屬(Ce)制備而成。催化反應中,碳不斷浮在液態金屬表面,避免了傳統固體催化劑面臨的碳結焦催化劑失活這一最大問題。此外,這種電催化反應可以用來批量生產儲能電池電極用碳質材料。因此,這種液態金屬電催化過程為碳的捕獲和利用提供了一種實用的方法。

        #3 液態金屬碳中和技術的挑戰與展望

        要想實現整個能源系統的脫碳,必須根據能源系統需求和中國國情,部署一系列不同層次的技術。在2060年碳中和技術藍圖中,約40%的技術目前仍處于原型階段,這對液態金屬碳中和技術而言是一個巨大的發展機遇。未來的挑戰與展望總結如下:

        (1)科學和技術挑戰。作為一類新興的材料技術,液態金屬目前主要集中于學術研究領域。為促進其大規模工業應用,必須對材料數據庫、能源系統優化、規模生產和技術可靠性(如:液態金屬低溫膨脹、高溫腐蝕和氧化失效)等方面開展更多的研究。

        (2)儲量和經濟可行性。鎵基液態金屬通常熔點較低(<30℃),但價格較貴(150–300美元/千克);而鉍基液態金屬熔點較高(>60℃),但價格相對便宜(50–100美元/千克)。因此,鎵基液態金屬優先適用于具有高附加值的室溫應用,如熱界面材料或室溫液態金屬電池。相比之下,鉍基液態金屬更適合高溫和對成本敏感的能源應用,如太陽能熱發電。儲量方面,雖然當前鎵價格昂貴,但地殼中的鎵儲量與鎳和銅相當,超過了錫和鉛,這表明未來鎵基液態金屬的成本具有很大下降空間。

        (3)政策考慮。考慮到液態金屬碳中和技術高度多樣化,需要針對每項技術進行評估,以匹配中國的各行業產業現狀和優勢(高鎵/銦/鉍儲量)。對于初投資規模較大的技術,如太陽能熱發電和余熱回收,可以通過適當的經濟政策進行有效激勵。對于具有高市場競爭力的成熟技術,如液態金屬熱界面材料,可通過強有力的知識產權保護、公平的市場準入來促進這些技術的商業化。

        液態金屬技術在實現碳中和方面具有獨特的優勢和應用前景。全球對綠色生態的需求,以及學術界和產業界的通力合作,必將推動液態金屬技術在碳中和領域發揮更大的作用。

        作者簡介

        鄧月光,北京理工大學宇航學院副教授,博士生導師。美國機械工程師學會Journal of Electronic Packaging 2010–2011年度唯一最佳論文獎獲得者。華中科技大學建筑環境與能源應用工程/計算機科學與技術專業雙學士, 中國科學院理化技術研究所動力工程及工程熱物理專業博士。長期從事液態金屬新材料,工程熱物理及能源科學等領域交叉科學問題研究。從材料,機理和器件角度系統深入研究了液態金屬先進熱管理及能源技術,并拓展了液態金屬技術在信息通訊,先進能源,航空熱控及光電器件等領域的系列應用。已出版能源領域相關英文學術專著1 部(Y.G. Deng, J. Liu, Liquid Metals for Advanced Energy Applications. AIP Publishing, 2022),以第一/通訊作者在Energy Convers. Manag.,Int. Commun. Heat Mass Transf.,Appl. Therm. Eng.,ASME J Electron Packag等國際知名期刊發表論文近30篇。申請發明專利10余項并獲授權5項,部分專利成果成功轉讓企業。此外,負責研制了國內首套液態金屬芯片散熱產品,并實現相關技術產業化。該產品作為北京市重大科技產業化項目參加了“創新中關村”主題活動,受到新華社、新浪網、鳳凰網等多家媒體的報道,并榮獲“第十三屆北京技術市場金橋獎項目一等獎”(集體獎)。

        Frontiers in Energy (SCI,2020 IF 2.709))于2007年創刊,是全英文能源領域綜合性學術期刊。主編是翁史烈院士、倪維斗院士、蘇義腦院士和彭蘇萍院士。執行主編是上海交通大學黃震院士。出版能源領域Reviews (綜述),Research Articles(原創性研究論文),Editorial (社論),Mini-reviews (短篇綜述),Perspective(前瞻),News & Highlights (新聞熱點),Viewpoint(觀點),Comments(評論)等。特別關注可再生能源、未來能源、超常規能源、2030能源、微/納米能源、能源與環境等全球能源的重大挑戰問題。

        涉及領域包括(不限于):能源轉化與利用,可再生能源,儲能,氫能與燃料電池,碳捕集、利用與封存,先進核能技術,智能電網和微電網,電力與能源系統,動力電池與電動汽車,建筑節能,能源與環境,能源經濟和政策等。

        • 國際化的編委會隊伍,海外編委約占37%

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