读2025世界前沿技术发展报告40新能源材料

1. 新能源材料

1.1. 新能源材料指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料，是全球能源领域的新兴研究热点，涵盖太阳能硅材料、锂离子电池材料、燃料电池材料及氢能储运材料等多个分支

1.2. 凭借其独特的光电转换、离子传输、高能量密度及耐腐蚀等特性，在清洁能源发电、储能装置及新能源汽车等高科技领域展现广阔应用前景

2. 电极材料

2.1. PEDOT是一类导电聚合物塑料，被用于有机太阳能电池、电致变色设备等领域

• 2.1.1. 可实现7万次充电循环

2.2. 一种增强双功能催化剂性能的创新方法，该方法有效降低了制氢成本

• 2.2.1. 双功能催化剂的主要问题是在每次电化学反应后，电极材料的结构会产生变化，其性能会降低

2.3. 一种用于柔性二维超级电容器的新型黏合电极，解决了制造复杂性和机械耐久性方面的问题

• 2.3.1. 将杂多酸（HPA）与氨基酸和碳材料结合，构建出一种同时具有电子传导性、氧化还原性、机械变形性和黏合性的一体化湿黏合剂

• 2.3.2. HPA是一类具有快速可逆氧化还原活性的无机纳米簇，使超级电容器能够快速可靠地充电和放电

• 2.3.3. 氨基酸帮助HPA变得更加柔韧，而碳材料则有助于电子传导

2.4. 报告了一种在电极中设计通道结构的策略，以结合聚合物凝胶电解质，并为高性能可穿戴电池形成紧密稳定的界面

• 2.4.1. 研究展示出纤维锂离子电池巨大的应用前景，有望在柔性电子、生物医学工程、太空探索和可穿戴设备等多个领域得到实际应用

2.5. 造并测试了新型陶瓷电解技术

• 2.5.1. 这种电解技术配备了Ni-GDC（镍-氧化钆掺杂氧化铈）燃料电极，研究人员将该燃料电极在不同电流下进行了1000小时测试，在非常高的电流下，燃料电极的电阻仅略有下降

2.6. 开发出高性能本质可拉伸有机光伏电池，其初始功率转换效率为14.2%，具有出色的拉伸性（在52%拉伸应变下保持80%的初始功率转换效率）和循环机械耐久性（在10%的应变循环后100次保留95%的初始功率转换效率）​

• 2.6.1. 内在可拉伸有机光伏电池因其结构设计灵活性、全向可拉伸性和平面内可变形性而成为下一代可穿戴发电系统的重要发展方向

2.7. 揭示了锂离子电池正极材料自放电的新机制

• 2.7.1. 提出了一种新的自放电理论，通过理论计算和实验证明了氢化反应对自放电的影响，即碳酸酯溶剂中的氢原子转移到脱锂氧化物中，导致正极材料发生氢化，进而导致自放电，并指出氢化会引起正极材料内部质子和锂离子浓度梯度，加速材料降解，最终影响电池寿命

• 2.7.2. 有助于更深入地理解锂离子电池的性能衰退机理，为开发更高效、更稳定的锂离子电池提供理论基础和指导

2.8. 一种新型低成本电池阴极材料—氯化铁（FeCl3）​

• 2.8.1. 以往的阴极材料往往需要镍和钴等金属氧化物，价格更贵并对环境有害，而氯化铁储量丰富、价格低廉（仅为传统阴极材料的1%～2%）​

2.9. 仅使用水就可将锂金属阳极耐久度增加750%

• 2.9.1. 具有该保护层的锂金属阳极比传统锂金属阳极的寿命提高了约750%，经过300次充放电循环后，电池容量仍能保持93.3%，达到世界一流水平

2.10. 开发了TiO₂保护层，可延长太阳能制氢所用光电极的寿命

• 2.10.1. 光伏制氢利用阳光通过电化学分解水来产生氢气

• 2.10.2. 当应用于BiVO4光阳极时，新开发的保护层可在2.03毫安/平方厘米的高电流密度下实现超过400小时的稳定水分解反应

• 2.10.3. 有望促进光电化学电池的发展，从而利用太阳能生产高价值资源

3. 电解质材料

3.1. 成功研发出一种可提升氢基电池和燃料电池安全性、效率和能量密度的固态电解质，这种电解质可在室温下传输氢化物离子

3.2. 开发出提升水系可充电锌电池（AZB）使用寿命的技术，该技术可以有效解决阳极化学腐蚀问题，将电池寿命提高5～20倍

• 3.2.1. 水系锌电池使用大容量锌金属阳极，并用盐水溶液电解质替代易燃有机电解质，具有容量大、安全性高的优势，可作为锂离子电池的替代品，但组件之间固有的不兼容性会导致阳极发生化学腐蚀，从而缩短电池的整体循环寿命

• 3.2.2. 水系锌电池适用于从小型住宅及商业设施到中型社区存储单元及大型电网级设施的各种应用场景

3.3. 浙江大学开发了一种廉价通用的阳离子置换方法，将镁钙盐的材料成本降低到和目前锂离子电解液相同的水平线上，合成路径有利于大规模工业化生产

• 3.3.1. 为可逆电解质系统和高能量密度多价金属电池提供了新策略

3.4. 结合人工智能和传统的化学方法发现了一种能够快速传导锂离子的固体材料

• 3.4.1. 由地球上丰富的无毒元素组成，具有足够高的锂离子电导率，可以取代当前锂离子电池技术中的液体电解质，提高电池的安全性和能量容量

3.5. 通过使用1，2-二甲氧基乙烷（DME）的甲基化策略设计了一系列无氟电解液，通过阴离子还原促进无机富氟化锂（LiF）界面的形成，并实现高氧化稳定性，为锂金属电池发展提供支持

• 3.5.1. 这种甲基化策略为高压电解质的设计提供了新思路，同时减少了对昂贵氟化溶剂的依赖，为开发高性能锂金属电池奠定了重要基础

3.6. 中国科学技术大学研究人员开发了一种用于全固态电池的新型硫化物固态电解质，其原材料成本仅每千克14.42美元，不到其他硫化物固态电解质原材料成本的8%

• 3.6.1. 氧硫化磷锂，其保留了硫化物固态电解质的独特优势，它和锂金属组成的对称电池能实现4200小时以上的室温稳定循环，而它和硅负极、高镍三元正极组成的全固态软包电池，在60摄氏度下循环200次后，仍具有89.29%的容量保持率

3.7. 开发出下一代固态电池CeraCharge材料

• 3.7.1. TDK针对全固态电池中的电解质进行了深度研究，成功研发出了一种氧化物类新材料，并且其在提高能量密度方面的显著效果已经得到了验证

• 3.7.2. TDK计划将该技术推向大规模生产，并进一步提升电池容量，为无线耳机和智能手表等提供更长久的续航

3.8. 开发出一种可提升锂电池安全性的新型凝胶（吡咯烷基双网络凝胶电解质）

• 3.8.1. 旨在开发能够提高电池安全性、性能和使用寿命的凝胶

• 3.8.2. 这种凝胶与电解质混合后，不会影响离子正常循环，保证了高导电性的同时具有热稳定性和坚固性，在5伏电压下电解质保持稳定

3.9. 清华大学和北京理工大学研究团队研发出了一种宽温度范围的酯基电解质，该电解质具有高离子导电性、快速界面动力学和优异的成膜能力

• 3.9.1. 一种低温电解质设计策略，通过调节羧酸酯基电解质的阴离子化学，同时改善锂离子传输动力学和界面稳定性

3.10. 开发出一种静态双电子溴盐锂电池，与单电子电池相比，双电子电池的放电容量和能量密度分别提高了142%和159%，具有2180瓦时/千克的高能量密度，且表现出优异的循环稳定性

• 3.10.1. 不仅提高了锂电池的能量密度，同时显示出卤素电极存在巨大的开发潜力

3.11. 开发出一种三室多孔固体电解质反应器，结合阳离子屏蔽效应，可在无需支持电解质的情况下进行高效的硝酸盐电化学还原制氨反应，获得高纯氨和纯净水副产品，有望实现低成本废水清洁制氨

3.12. 锂离子电池在电动汽车和储能系统（ESS）等应用中不可或缺

• 3.12.1. LLO材料通过降低镍和钴的含量，同时增加锂和锰的含量，比传统的镍基阴极提供了高达20%的能量密度

3.13. 研发了一种高结晶性无离子聚环氧乙烷（PEO）固态电解质，通过自适应离子扩散现象有效抑制锂枝晶生长，显著提升了固态电池的循环稳定性和安全性

4. 电池隔膜

4.1. 共同开发用于氢燃料电池系统的先进质子交换膜（PEM）

• 4.1.1. 将涵盖PEM开发的各个关键领域，致力于开发出能够满足下一代商用燃料电池汽车需求的先进PEM产品

4.2. 将聚乙烯亚胺（PEI）以离子键形式连接到二氧化硅纳米颗粒上，制备了一种具有较高的二氧化碳溶解度和良好的电极-电解质界面相互作用的纳米颗粒有机杂化材料（NOHM）—NOHM-I-PEI

• 4.2.1. 表明二氧化碳以氨基甲酸盐和碳酸盐/碳酸氢盐形式存在

4.3. 通过使用一种被称为双门控（Double Gating）的技术，将石墨烯夹在非水电解质之间，并连接到每一侧的栅极，以诱导电子流过薄片，研究人员能够独立控制质子传输和质子化学吸附，通过精确调整电极上的电压，能够增强质子在石墨烯中的垂直流动

5. 电池回收技术

5.1. 电池材料回收

• 5.1.1. 扩大电子产品回收参与（1440万美元）​，旨在为电子产品消费者和电子废物收集者提供电池材料回收指导

• 5.1.2. 提高电池回收经济效益（4140万美元）

• 5.1.3. 规划电子产品回收项目（720万美元）

5.2. 开发出一种新工艺，可以从废旧碱性电池中提取和分离金属，为高效回收电池废弃物提供了一种环保的解决方案

• 5.2.1. 采用水冶金技术，在室温下进行金属提取，效率高且成本低

• 5.2.2. 该方法的锌总提取效率为99.6%，锰为86.1%

• 5.2.3. 有助于减少环境污染和实现资源的可持续利用

5.3. 中国科学院大连化学物理研究所能源催化转化全国重点实验室动力电池与系统研究部在退役动力电池的可持续回收方面取得进展

• 5.3.1. 通过生命周期分析和技术经济分析证明，使用再生材料组装1千瓦时电池组的成本将分别每千瓦时降低21.65美元和41.67美元（分别降低38.3%和73.6%）​，并降低了对人类健康、生态系统质量和资源稀缺性的影响

5.4. “投资美国议程”框架下拨款1400万美元，加强国内电池回收

5.5. 电池正极生产商Wildcat科技公司和磷酸铁锂电池前驱体材料生产商Austin Elements公司签署谅解备忘录，将在磷酸铁锂和磷酸锰铁锂电池的循环利用方面开展合作

5.6. “投资美国议程”框架下拨款6300万美元，为州和地方政府的“电池回收计划”提供4100万美元，支持或新增电池收集、回收和再加工项目，以及为“州制造业领导力计划”提供2200万美元，支持使用先进传感器、数据分析和过程控制等智能集成技术提升美国制造业现代化水平

5.7. 阿贡国家实验室ReCell中心举办了年度行业合作会议，以促进电池回收领域合作关系的建立

• 5.7.1. 直接回收，直接回收电池材料用于新电池的制造

• 5.7.2. 高级资源回收，从报废电池中轻松获取有价值的高级资源

• 5.7.3. 电池设计优化，优化电池设计以方便电池回收

5.8. “先进可充电电池循环利用创新研究计划”​（CIRCULAR）​，旨在支持构建电动汽车（EV）电池的循环利用国内供应链

5.9. Caterpillar公司开发一种新的或改进的电池包设计，以实现更高效的拆解过程

5.10. 通用汽车（General Motors）公司开发一种自动对回收电池进行分类和去风险的系统

5.11. 西门子技术（Siemens Technologies）公司开发一种自动化的电池拆卸方法

5.12. 阿克伦大学（University of Akron）研究回收电池塑料/聚合物并用于新电池的方法等

5.13. 用于开采北美最大钴矿和建设电池金属回收设施，并创造就业机会

• 5.13.1. 将大大加强美国关键电池金属的供应链，以推动绿色能源革命并促进美国经济和国家安全

5.14. 确保了电池材料在本地分布式辐条设施中进行加工，然后送往枢纽中心精炼，从而创建可持续的循环供应链，以满足清洁能源转型日益增长的需求

6. 燃料电池

6.1. 开发并测试了一套用于储能的可逆固体氧化物燃料电池（RSOC）系统

• 6.1.1. RSOC系统的核心是经过Wolf Energetik公司改造的可逆固体氧化物燃料电池，该电池能够在电解模式下将电力转化为氢气和水蒸气，并在燃料电池模式下将氢气和水蒸气转化为电力

• 6.1.2. RSOC系统具有高效、灵活应用（灵活切换电解和发电模式）和安全可靠（固态电解质避免液体电解质泄漏等风险）等优势

6.2. 开发出一种由火星大气成分作为电池反应燃料物质的“火星电池”

• 6.2.1. 火星电池在实际火星环境中的应用提供了概念验证，并为未来太空探索中的多能互补能源系统的发展奠定了基础

7. 其他

7.1. 北京理工大学研究人员提出了设计和制造稳定安全的光充电非水系铝电池（PRAB）新策略，为显著提升太阳能利用效率提供了有效途径

• 7.1.1. 研究还建立了一个简化的连续体模型，为设计电极结构和充放电策略提供了理论指导，以满足实际运行条件

• 7.1.2. 在光照条件下，PRAB在充电时节能效率约为61.92%，在放电时增加能量输出约31.25%

7.2. 成功研发出全球首个无阳极钠固态电池

• 7.2.1. 该电池通过采用电化学稳定的固态电解质和施加堆叠的压力实现了致密钠金属的沉积，并利用特殊铝集流体与固态电解质紧密接触，提高了钠离子的可逆沉积与剥离效率

• 7.2.2. 不仅为钠离子电池的发展开辟了新路径，也为其他低成本、高能量密度、快速充电电池的研发提供了重要参考

7.3. 自修复胶状电池可以拉伸至原长度的10倍而不会失去导电性，在可穿戴设备、软机器人和生物医学植入物方面具有潜在应用

7.4. 通过电化学液体电池扫描透射电子显微镜技术（ec-LC-STEM）来实时监测锂离子电池在充电/放电过程中负极-电解质界面上发生的反应过程，发现锂枝晶生长是一个多步骤过程：成核、根生长和尖端生长

• 7.4.1. 揭示了锂枝晶生长以及死锂的形成过程，为未来电极设计提供了重要见解

7.5. 发布了全球首台钙钛矿太阳能电池自动化制造系统

• 7.5.1. 该系统从基板电极清洗、电子传输层和钙钛矿层的材料堆叠，到背面电极蒸镀、太阳能电池分离，均实现自动化操作（通过自动化生产过程，排除了人为因素造成的误差，有效抑制了电池性能的波动）​，支持多种不同条件下的自动化试制，大幅提高了研发效率，推动钙钛矿太阳能电池商业化进程