项目成果/简介:硫化物固态电解质（LGPS）由于拥有与液态电解质接近的室温离子电导率，因此被视为下一代高能量密度电池的候选体系之一。但是，由于硫化物固态电解质较窄的电化学窗口（如Li10GeP2S12，1.7~2.1 V vs. Li/Li+）,在与较高工作电压的LiCoO2氧化物正极（LCO）匹配时会发生一系列副反应，在界面处堆积低电导的氧化副产物(如Li3PS4, S, GeS2），同时LGPS和LCO电化学势的不匹配还将导致界面处产生空间电荷层（SCL），这些因素都将极大地增加固态电池的界面阻抗，进而使得固态电池的性能迅速衰减。目前，解决氧化物正极-硫化物固态电解质界面不匹配问题的主要途径为在氧化物正极表面包覆一层过渡层，用以缓冲正极和电解质界面的电势不匹配问题。 通过简单易行的固相包覆方法，首先将粒径为10 nm二氧化钛纳米颗粒均匀分散在钴酸锂表面，再通过高温烧结处理在钴酸锂表面形成一层约1.5纳米保护层。对照实验，FIB-TEM原位观察和XPS佐证表明通过高温原位反应钴酸锂表面将形成Li2CoTi3O8尖晶石相(LCTO)。具有稳定三维尖晶石结构的LCTO晶体在钴酸锂工作的电压区间依然能保持结构稳定，与钴酸锂基体之间具备较强的键合，同时具有高的锂离子扩散能力（Li+= 8.22×10-7 cm2 s−1），低电子电导（2.5×10-8 S cm-1）。这些性质将有助于在LCO和LGPS之间形成有效的电压降，保持界面稳定性的同时提供快速的离子迁移通道。理论计算表明，相较于LCO/LGPS界面，通过引入LCTO中间层产生的两个替代界面，即LCTO/LCO和LCTO/LGPS具有更强的热力学稳定性和更强的界面亲和力。

简  介 一、项目背景 自20世纪80年代我国有色金属工业提出“优先发展铝工业”的战略发展方针以来，我国铝工业有了长足的发展，电解铝工业的发展更是突飞猛进。经过近30多年坚持不懈的努力，实现了跨越式发展。从引进“日轻”160kA预焙槽技术到自主开发280kA特大型铝电解槽的开发成功，使电解铝整体技术与装备水平进入世界先进行列。目前，500kA~600kA以上超大型电解槽已实现了工业规模化推广应用。40年来由于技术的进步，电解铝单位能耗下降1000kWh/tAl。 （1）高耗能仍是主要特点。尽管铝工业技术上取得了极大的进步，然而时至今日，铝电解的能量利用率仍然仅仅50%，大约有一半的能量都以热量形式散发在大气中（图1）。作为高耗能产业电解铝工业的节能减排仍将是今后相当一个时期的核心任务。   （2）电解铝是碳排放大户。进入21世纪以后，中国电解铝产量的增长速度明显加快，从2000年的279.41万吨增加至2020年3731.7万吨，连续多年成为世界第一原铝生产大国，同时电解铝的节能减排受到广泛关注。2020年，电解铝行业二氧化碳总排放量约为4.26亿吨，约占全社会二氧化净排放总量的5%。 （3）对供电质量要求高，不利于可再生能源电力发展。作为用电大户的铝冶炼企业，传统技术不具备调峰能力，这是由于其核心装备铝电解槽是在预设的热平衡条件下设计的，任何偏离预设热平衡的电力供给都可能导致严重过热或冻结。由于这一限制，现代铝电解槽的运行对供电质量要求相当苛刻（95%一级负荷），因此，作为用电大户的电解铝行业，基本没有调峰能力，对供电系统的适应性和灵活性小。 国际能源署发布的《电力系统转型现状2018》指出：电力系统灵活性已经成为全球优先发展方向。铝冶炼企业急需增加调峰能力，不仅可以适应未来新能源比例逐渐提升带来的电网供电波动，而且能主动调峰成为电力系统灵活电源点运行。 2020年12月16日，习近平主席在2020年中央经济工作会议上指出，要做好碳达峰、碳中和工作，要抓紧制定2030年前碳达峰行动方案。2021年3月15日，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议中强调，“要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设总体布局”，指出“要构建清洁安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。” “双碳目标”的提出，给电解铝行业提出了新的课题。开展大型铝电解槽能量平衡及余热回收技术的工业系列化应用，通过国内外技术的集成创新，形成一整套的生产工艺技术和先进的装备，大幅提高电解铝行业的能源利用率，对于实现电解铝行业“双碳目标”具有重大历史性意义。 二、技术简介及工作基础 郑州轻冶科技股份有限公司与郑州大学在15年研究成果积累的基础上，从2017年开始，在铝电解槽能量流优化及输出端节能（余热回收）领域联合国内外多家企业和科研单位，启动郑州市协同创新重大专项，目前“铝电解槽能量流优化与输出端节能（余热回收）技术及成套工业系统（HORRS系统）”已完成工业化试验，进入工业化示范运行阶段。 开创了电解铝工业输入端与输出端“双端节能”的先河，并为进一步工业应用奠定了基础。 1、主要内容 建立独立的铝电解能量流在线优化调节模型（HORR技术），实现控制变量与控制目标的“解耦”，为进一步实现电解铝“输入端节能”的极限优化工艺生产奠定了基础，进一步降低电能消耗； 成功研制了电解铝专用“高效集热装置”，通过国际合作开发成功国际领先的核心技术，并实现了关键设备的量产。在此基础上，进一步开发了铝冶炼过程散热回收系统（HORRS系统），实现大幅节能；铝电解槽能量利用率可由原来的不到50%提升到60%。 研制铝电解槽多参数传感器与快速检测分析系统，并开发了铝电解槽数字化基础上的能量平衡智能化系统； 采用能量流调节系统，为电解铝柔性生产提供了技术保障，初步实现了利用电解铝厂巨大电能容量协助当地电网实现蓄能调峰运行，调峰能力达到±20%。 2、当前工作进展 2019年起，在河南中孚实业股份有限公司4台400kA大型铝电解槽上，开展了“铝电解槽能量流优化及智能调控技术开发”协同创新重大专项工业示范应用。2021年3月11日，首台400kA电解槽余热已成功与巩义示城市供热网实现互联，回收利用热量约占电解槽总耗能8~10%，预计到2021年5月底，全部4台电解槽将整体投运。 三、经济及社会效益 （1）技术指标 本项目工业试验完成后，可实现电流效率≧94%；槽电压低于3.9V，折合吨铝节电800~1000kWh以上,电解铝能量利用率提升8~10% 实现电解槽调峰运行 该技术应用后，铝电解槽可实现蓄能调峰20%，有利支持新能源电力负荷的消纳，减小新能源电源增加后带来的峰谷差，为国家构建新型电力系统提供支撑。 实现电解铝厂与区域、城市融合发展 根据电解铝行业（火-电-铝）的特点，将回收余热资源供入城市供热系统用于冬季居民采暖；夏季并入配套发电厂会热系统，用于发电；也可用于根据产业园区布局，可为周边工业用户（如铝加工、氧化铝厂等）提供工业生产用热源或大规模工业制冷，实现余热资源的高效利用。 社会效益 按照未来推广应用2500万吨计算： 年可节电250亿kWh； 年可减排：2492.5万吨二氧化碳; 年可消纳新能源电量：675亿kWh。

此连续铁碳微电解流化床设备的主要原理是将铁屑和碳粒等填充料，填装在主要包括一筒体的特定装置中，制成所谓的电解床。当污水通过时，铁成为阳极，碳成为阴极，产生各种微电化学反应，从而实现废水处理目的。

1. 痛点问题 水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。在目前已有的技术中，由于电化学反应产生一定的热量，会导致电极和电解液温度升高。目前工业上主要通过调节电解液流速进行对流换热，电解槽端板上存在乳突状结构增强扰动，加强传热传质过程，从而使电解槽温度维持在一定范围内。即便如此，电解液出口和入口温度依然存在较大差距，出口的电解液温度需要进一步冷却才能重新被利用。 2. 解决方案 本发明的目的是提供一种电解槽流场板结构，解决了电解槽内部温度不均匀性，提高了能量转换效率。将扁平管状热管嵌入电解槽内部，与电解槽端板结合为一体，解决了电解槽端板温度分布不均、出口易发生电解液沸腾的问题，电解槽运行效率增加，并保证一定的安全性。 合作需求 （1）资源对接：有较小规模电解制氢需求的场景（如发电厂） （2）孵化资源：本技术可实现低能耗电极板结构设计，逐步将扩展到电解水制氢流程设计。目前在加工方面，需寻求可进行热管材料设计并同时掌握精密机械加工的团队。

谷猛课题组和斯坦福戴宏杰教授课题组设计并开发了一种基于氯化铝/1-甲基-3-乙基咪唑/氯化钠离子液体组成的氯铝酸盐离子液体电解质。以这种离子液体电解质为基础制得的可充电钠金属电池具有良好的性能，电池电压高达~ 4v，库仑效率高达99.9%，能量和功率密度分别为~ 420 Wh kg

成果与项目的背景及主要用途： 随着经济发展，我国能源需求快速增长，富煤贫油少气的能源禀赋决定了我 国仍需以煤为基础能源，直接燃煤则造成了严重的环境污染。使用清洁燃料，煤 制油、煤制天然气是解决东部地区雾霾污染的重要措施。然而煤制气装置会产生 大量高有机物含量的废水，不能直接生化处理。内蒙新疆等地区，煤资源丰富但 环境脆弱，水匮乏。煤制气、焦化、兰炭等煤化工企业的废水治理已成为制约其 发展有瓶颈之一。 煤化工废水主要来源于煤气化或焦化炉后的急冷洗涤及净化等工段，气化及 焦化过程产生的焦油、酚、氨等物质大部分进入洗气废水中，含有氨氮、硫化物、 （硫）氰化物等无机物及焦油、酚类等有机物。其特点是水量大、污染物浓度高 成分复杂。目前对煤化工废水进行处理的要求是去除废水中的粉尘、焦油、硫化 氢、二氧化碳、氨氮、酚等无机和有机物，经过深度净化，进行达标回用。一般 流程为：隔油除尘→脱酸蒸氨脱酚→生化处理→深度处理。首先通过重力沉降， 旋流气浮等隔油除尘措施进行初级处理，然后进行物化处理，通过汽提进行脱酸 脱氨以及萃取脱酚，再经过生化，通过 RO、蒸发结晶等过程，实现水的深度净 144天津大学科技成果选编 145 化及达标回用，实现零排放。 技术原理与工艺流程简介： 本技术主要从煤化工废水处理技术流程的前三步——隔油除尘、脱酸蒸氨脱 酚及生化处理进行工艺设计改进。 （1） 隔油除尘 我们通过重力沉降及离心力场，使与水不相溶的与水密度有差别的游离油及 尘与水进行初步分离。为提高处理效率，通过 CFD 模拟计算与实验测试，对装 置进行优化设计，开发了平流隔油与旋流气浮结合的隔油除尘工艺与设备。 （2） 脱酸蒸氨脱酚 A、脱酸蒸氨，我们开发了专门适于脱酸蒸氨的板式形式，在提高传质效率 的同时，可显著防止结垢堵塞，延长检修周期（一年以上），该塔板形式已成功 用于工业实践。 B、萃取除油脱酚，经过脱酸蒸氨后的废水，不能直接进入生化系统，还需 要脱除其中的油及酚类。通常仍用萃取的方法。我们经过大量筛选与测试，开发 出了性能优良的萃取剂，在核心设备—萃取塔方面，开发了专门用于萃取的专利 填料，显著提高了萃取效率，降低了过程能耗。 （3） 生化处理 为提高生化处理效率，我课题组专门筛选和优化了适于酚类染污物的微生物 菌群，提高了生化速度，降低了处理成本。 技术水平及专利与获奖情况： 通过与企业的合作，可在我们已取得成果基础上，做进一步开发与优化，以 继续降低废水处理成本。形成新的具有知识产权的工艺技术，并进行工程示范。 合作方式及条件：具体面谈

项目简介 对苯二甲酸的工业生产主要采用以对二甲苯为原料的高温液相氧化法。对二甲苯以乙酸 作为溶剂，以乙酸钴-乙酸锰为催化剂，以四溴乙烷为助催化剂，于 221~225℃、2.5~3.0 兆帕下氧化生成对苯二甲酸，该生产过程中排放出高浓度有机废水，pH 值在 2.5~3.3，CODCr 约 4500~8000 mg/L，其中除了含有大量醋酸外，还含有 1000 mg/L 左右的对苯二甲酸、苯 甲酸等有机物及少量的锰盐等。 采用大孔树脂吸附工艺分离回收水体中的 PTA、苯甲酸等苯系有机物，采用离子交换工艺富 集回收吸附出水中的锰离子，采用好氧生化工艺降解交换出水中的有机物（主要为乙酸）。 

针对我国严重弃水问题，提出将冗余水电就地转化为易保存和运输的清洁能源天然气的整体工艺，冗余水电电解水产生氢气，生物质气化提供碳源，制备甲烷化催化剂，氢气和合成气在高效催化剂作用下，在特殊设计的流化床反应器中反应生成天然气，实现水电和天然气系统的交叉互补运行，提供能源优势互补新途径。建成了一套电转气小型示范装置，稳定运行并测试后，其运行结果表明：催化剂活性高、性能稳定，甲烷选择性大于99.9[[[[%]]]]，转化率可达100[[[[%]]]]。

针对建设超大型水电站对压力管道用新型高性能关键材料与成套技术的迫切需求，集成开发了超大型水电站金属结构关键材料成套技术。提出了易焊接高强水电钢板、焊材、配套焊接工艺一体化解决方案，采用双淬火调质工艺，突破了 150mm 特厚岔管用板低压缩比连铸生产工艺心部性能技术瓶颈。开发出适应50kJ/cm 大线能量焊接的 800MPa 级配套超低氢焊材，填补了行业空白。该成果获 2017 年冶金科学技术一等奖，2018 年国家科学技术进步二等奖。