能源是推動人類社會進(jìn)步的根本物質(zhì)基礎(chǔ)，在環(huán)境問題日益嚴(yán)峻和化石能源儲量日益枯竭的條件下，地球已經(jīng)難以為不斷增長的能源需求買單。這時候，以納米材料為主的新材料開發(fā)，為人類獲取、運輸、儲存、分配和管理可持續(xù)清潔能源帶來了曙光。新材料為新能源生產(chǎn)、電能和化學(xué)能儲存、提高能量效率以及實現(xiàn)更好的能源管理體系起到了決定性的推動作用！
有鑒于此，1997年諾貝爾物理學(xué)獎得主、美國第12任能源部部長、斯坦福大學(xué)教授朱棣文、斯坦福大學(xué)教授崔屹和斯坦福大學(xué)Nian Liu博士在最新的Nature Materials中，就新材料對光伏器件、電池、太陽能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換三大可持續(xù)能源系統(tǒng)的研究展開了深入討論，并展望了新材料今后在可持續(xù)能源應(yīng)用中的研究方向。
圖1.朱棣文、崔屹和Nian Liu
自工業(yè)革命以來，尤其是1950年以來，化石能源的燃燒帶來大量溫室氣體排放，譬如CO2、CH4、N2O以及含氟氣體等。溫室效應(yīng)導(dǎo)致大量的干旱、洪災(zāi)、海平面上升，以及諸多不可預(yù)測的災(zāi)難。
老子曰：不諳變通者，必將毀于執(zhí)。開發(fā)可持續(xù)清潔能源，是人類社會不至于毀滅的當(dāng)務(wù)之急和根本策略。根據(jù)目前可預(yù)測情況來看，未來可持續(xù)清潔能源將極大地依靠MOF、催化劑等納米材料來實現(xiàn)碳捕獲、太陽能轉(zhuǎn)化、電動汽車的全面推行、建筑物的低碳化以至于最終實現(xiàn)碳的零排放。
圖2. 未來可持續(xù)清潔能源體系
一、從光伏器件來看
太陽能模塊的價格已經(jīng)從2008年的3美元/W降低到2016年的0.5美元/W（按照1個太陽光照強(qiáng)度產(chǎn)生1 W計算）。2011年，美國能源部太陽能技術(shù)方案(SunShot)計劃，到2020年實現(xiàn)發(fā)電整體成本達(dá)到0.06美元/kWh（工業(yè)）和0.09美元/kWh（住宅），到2030年實現(xiàn)發(fā)電整體成本達(dá)到0.03美元/kWh（工業(yè)）和0.05美元/kWh（住宅）。
在迪拜等太陽輻照強(qiáng)的地方，現(xiàn)在太陽能發(fā)電整體成本已經(jīng)達(dá)到0.03-0.04美元/kWh。
圖3. 太陽能面板
受荷葉啟發(fā)，基于納米結(jié)構(gòu)材料的自清潔、防污、防冰、超疏水表面即將解決太陽能模塊表面變臟和水汽干擾，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)冰、海洋船只船體腐蝕防污等一系列問題。
太陽能綜合利用正在穩(wěn)步前進(jìn)中……
圖4. 光伏技術(shù)舉例
二、從電池來看
安全、高效、耐用的可重復(fù)充電電池是電動汽車和電網(wǎng)應(yīng)用的重要方向，現(xiàn)有電動汽車電池比能量已經(jīng)達(dá)到200-250 Wh/kg。美國能源部計劃，2022年實現(xiàn)電動汽車電池組件價格達(dá)到125美元/kWh。而Battery500聯(lián)盟則提出了更為的宏偉目標(biāo)：比能量達(dá)到500 Wh/kg，使用壽命十年，總續(xù)航里程達(dá)到15萬英里。
在電網(wǎng)領(lǐng)域，高能量密度并不是最重要的，性能穩(wěn)定性是首先需要解決的問題。美國能源部的目標(biāo)是：重復(fù)循環(huán)使用6000次，使用壽命超過20年。
在交通運輸工具和日常電子器件領(lǐng)域，鋰離子電池是目前主流能源技術(shù)。以石墨為負(fù)極，以Li-M-O（譬如LiNixCoyMnzO2 (NMC), LiMn2O4 ,LiFePO4 和Li4Ti5O12）為正極的鋰離子電池已經(jīng)在電動大巴車上投入使用。其主要問題在于：負(fù)極電勢太高，能量密度較低。
圖5.Tesla Model S
就鋰離子電池負(fù)極而言，誘惑較大的主要有Si和Li金屬兩種材料。1) Si的比容量是石墨的10多倍（Si：4200 mAh g-1，Li4.4Si：2100 mAh g-1, 石墨：372 mAh g-1），但是體積變化導(dǎo)致其壽命較差。2) Li金屬材料比容量高達(dá)3860 mAh g-1,作為鋰離子電池負(fù)極材料也是潛力無限。其主要問題在于枝晶產(chǎn)生，導(dǎo)致循環(huán)庫倫效率低，使用壽命較短。
就鋰離子電池正極而言，經(jīng)過不斷研究，LiNixCoyMnzO2已經(jīng)實現(xiàn)了250mAh g-1的比容量，但是化學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性還有很大的提升空間。除此之外，誘惑較大的主要有S正極（比容量約1700 mAh g-1）和O2正極（比容量約1700 mAh g-1， Li2O2）。但是Li-S電池和Li-O2電池也存在穩(wěn)定性差和使用壽命較短的問題。
圖6. 基于納米技術(shù)的電池電極材料
過去十多年來，以崔屹教授為代表的納米材料科學(xué)家基于納米技術(shù)開發(fā)了一系列正極、負(fù)極、安全性能解決方案，對新型鋰離子電池的大力發(fā)展起到了重要推動作用。
除了Li離子電池之外， Na離子電池、K離子電池和Mg離子電池等也在不斷開發(fā)。
圖8. 智能電網(wǎng)
對于電網(wǎng)而言，成本、規(guī)?；约伴L期使用壽命是尤為重要的，流體電池在這方面表現(xiàn)出極大的潛力。問題主要在于：離子交換膜的成本較高，穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提升。
圖9. 流體電池技術(shù)
三、從太陽能和化學(xué)能源轉(zhuǎn)化來看
雖然太陽能光伏器件和電池取得了很大的進(jìn)展，但是其在體積能量密度和質(zhì)量能量密度上遠(yuǎn)不及化石能源，差不多是化石能源的1%。隨著發(fā)電價格降低到0.02-0.03美元/kWh，通過水裂解和CO2還原等催化反應(yīng)儲存高價值化學(xué)品，并將大量電能以化學(xué)燃料的形式儲存將同步實現(xiàn)。
圖10.能源催化材料（LixMoS2用于HER，Pt3Ni用于ORR）
四、新能源材料研究方向
材料科學(xué)在可持續(xù)清潔能源領(lǐng)域的重要性不言而喻，過去十年來也取得了許多重大突破。之前許多新材料的開發(fā)都是屬于偶然發(fā)現(xiàn)，基于經(jīng)驗的試錯方法和納米尺度的分析方法則極大地加深了人們對材料的基本物理和化學(xué)理論的認(rèn)識。
就可持續(xù)能源領(lǐng)域而言，材料科學(xué)未來的發(fā)展至少應(yīng)該基于以下四個方面：
1. 氣體分離和儲存材料
2. 熱能轉(zhuǎn)換與控制材料
3. 電力電子材料
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