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。

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

利用农业废弃物秸秆生产生物炭，返施农田，并辅助其它技术， 可以达到固定重金属污染农田，在微污染农田中生产出合格产品，挽 救因重金属污染造成的农田损失；同时可以减少化肥施用量，达到减 施以保护地表环境免受富营养化污染。目前重金属造成农田的污染修 复以及化肥减施大部分属于国家公益项目。 农田重金属固定技术已经在天津东丽区区示范运行 3 年，运行效 果好，蔬菜重金属达到标准，增加农作物产量，减少化肥施用，因此， 广受农民欢迎。

由生物质制成的炭具有无烟、无味、热值高等特点，可以直接施放到土壤中或作为炭基肥的原料使用，一方面改良土壤、增加肥力，另一方面利用其耐降解性质，延长碳在土壤中的封存时间，降低温室效应对全球气候变化的负面影响。此外，生物炭是一种很好的吸附剂，具有较大的比表面积，其表面含有丰富的含氧活性功能团，可净化水质，吸附土壤中一些常见的环境污染物如重金属、农药等。因成本较低，已广泛使用于化工、冶金、环保、农业等领域。 目前，已有的生物炭生产系统都会至少存在下列问题之一：①产能小，难以满足大规模生产需求，如窑式炉、釜式、螺旋推进炉等；②炉内温度难以控制，生物炭品质难以保证，如竖流式炉等；③对原料要求高，应用范围受到限制，如回转窑；④能耗大，生产成本高，存在环境污染（特别是焦油难处置）。针对以上问题，东南大学将炭化过程产生的副产品（焦油和热解气）进行燃烧，燃烧产生的高温烟气采用内外联合加热方式为生物质炭化过程提供热量，无焦油产生，实现连续式进出料和能量梯级利用。目前已建成日处理秸秆量7吨和24吨的成套工程，日产生物炭约2.1吨和7.5吨。工程连续稳定运行。 本技术已申请国家发明专利3件（授权2件），发表学术论文12篇，获国家“973”、江苏省环保厅科技项目支持。

利用农业废弃物秸秆生产生物炭，返施农田，并辅助其它技术，可以达到固定重金属污染农田，在微污染农田中生产出合格产品，挽救因重金属污染造成的农田损失；同时可以减少化肥施用量，达到减施以保护地表环境免受富营养化污染。目前重金属造成农田的污染修复以及化肥减施大部分属于国家公益项目。 农田重金属固定技术已经在天津东丽区区示范运行 3 年，运行效果好，蔬菜重金属达到标准，增加农作物产量，减少化肥施用，因此，广受农民欢迎。

活性炭是现代化学工业，石油工业，食品工业，医药工业，饮用水处理等行业不可缺少的处理吸附，脱色，净化剂，应用范围十分广泛，尤以粒状活性炭最为重要，世界上许多国家和地区都十分重视它。在日本，丹麦，瑞典，美国等发达国家研究，生产应用活性炭的历史近百年；在中国虽然起步较晚，但在应用硬果壳制备活性炭的生产工艺方面有较大的成功，先后有采用核桃壳，椰子壳，棕榈壳，桃核，杏仁壳及木屑等为原料来制备粒状或粉状活性炭，由硬果壳制备的活性炭均为粒状，可再生重复使用，应用价值大；由木屑制备的粒状活性炭，生产成本较低，一般为一次性使用，不便于再生。活性炭生产方法可分为物理活化法和化学活化法两大类，各有优缺点，但化学活化法由于活化剂种类及浓度的不同而使活性炭的孔径大小，长短等主要技术指标有较大的差异，人们通过控制选择活化剂，活化剂浓度，PH值大小；活化温度高低等条件来达到制备出不同规格型号的粒状活性炭，以供不同用途选用。

由生物质制成的炭具有无烟、无味、热值高等特点，可以直接施放到土壤中或作为炭基肥的原料使用，一方面改良土壤、增加肥力，另一方面利用其耐降解性质，延长碳在土壤中的封存时间，降低温室效应对全球气候变化的负面影响。此外，生物炭是一种很好的吸附剂，具有较大的比表面积，其表面含有丰富的含氧活性功能团，可净化水质，吸附土壤中一些常见的环境污染物如重金属、农药等。因成本较低，已广泛使用于化工、冶金、环保、农业等领域。 目前，已有的生物炭生产系统都会至少存在下列问题之一：①产能小，难以满足大规模生产需求，如窑式炉、釜式、螺旋推进炉等；②炉内温度难以控制，生物炭品质难以保证，如竖流式炉等；③对原料要求高，应用范围受到限制，如回转窑；④能耗大，生产成本高，存在环境污染（特别是焦油难处置）。针对以上问题，东南大学将炭化过程产生的副产品（焦油和热解气）进行燃烧，燃烧产生的高温烟气采用内外联合加热方式为生物质炭化过程提供热量，无焦油产生，实现连续式进出料和能量梯级利用。目前已建成日处理秸秆量7吨和24吨的成套工程，日产生物炭约2.1吨和7.5吨。工程连续稳定运行。

活性炭作为一种多孔材料，由于其具有发达的孔径结构和丰富的表面官能 团，所以广泛应用于国民经济部门和人们的日常生活。活性炭不仅可用于液相 脱色，上下水净化，气相吸附，溶剂回收，空气净化；还可用于催化剂的合成， 作为贵金属催化剂的载体。寻求新原料制备高性能的活性炭具有重要的意义。 湿地植物在冬季出现枯萎的现象，若不及时收割，会导致基质阻塞和腐烂 等问题。当前湿地植物秸秆大多通过焚烧和填埋的方式进行处理，利用率低且 污染环境。本项目技术在研究过程中发现，湿地植物秸秆具有孔结构发达、碳 含量高等特点，故采用湿地植物秸秆作为生产活性炭的原料，既能解决湿地植 物秸秆利用率低、污染环境的问题，又能降低活性炭的生产成本，废物利用。 本技术采用新型的改性方法和活化方法：首先，采用表面改性的方法来提 升活性炭的吸附性能；其次，采用原位改性的方法，节约成本，简化工艺，提 升活性炭性能；再次，使用新型活化剂，实现一步法直接活化生产目标活性炭， 使其具有特定孔径结构和官能团。 本项目技术制备出的新型活性炭，比表面积高，表面官能团丰富，对重金 属、有毒有害有机污染物具有高效的吸附性能。以植物生物质为原料制备活性 炭，过程简单，速度快，制备成本低，产品性能优异，具有良好的实用性能。