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中科院物理研究所研究长寿命储能型锂离子电池
锂离子电池已经广泛应用到社会生活的各个方面,给人们的生活带来便利。但锂离子电池中还存在一些基础科学问题不是很清楚,其中,进一步揭示储锂材料的储锂机理对改善锂离子电池性能和探索新材料有着至关重要的作用。
中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)清洁能源实验室胡勇胜研究员等通过氮掺杂的碳材料包覆长寿命储能型锂离子电池用尖晶石结构的钛酸锂(Li4Ti5O12),构建有效的三维混合导电网络,大大改善了该材料的倍率性能(Adv. Mater., 23: 1385-1388, 2011;Phys. Chem. Chem. Phys., 13: 15127-15133, 2011;ChemSusChem, 5: 526-529, 2012)。同时,李泓研究员、胡勇胜研究员与谷林研究员合作,利用球差校正环形明场成像技术(STEM-ABF)并结合第一性原理计算,在原子尺度上研究了锂离子在储锂材料中的存储行为(Energy Environ. Sci., 2011, 4: 2638-2644;J. Am Chem. Soc., 2011, 133: 4661-4663; Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14: 5363-5367)。
最近,博士研究生卢侠、胡勇胜研究员与谷林研究员应用该技术对充放电过程中钛酸锂的结构演变进行深入研究,取得了下列新进展:(1) 沿[110]方向清晰观察到了锂离子在钛酸锂中的储存位置;(2) 首次在原子尺度观察到该材料的两相界面结构,从而证实了钛酸锂中的两相反应机理,这对于理解锂离子电池中两相反应机理有重要参考价值;(3) 利用原子分辨的电子能量失谱(EELS)研究了锂化材料中的电荷分布问题,发现电荷的非均匀分布,和第一性原理计算结果一致;(4) 观察到所有钛酸锂材料表面显示1-2纳米厚度的不同于体相的结构,这可能是导致该材料在实际应用时胀气的原因。
相关成果发表在新一期的《先进材料》上(Adv. Mater., 2012, 24: 3233-3238),《科学》(Science)杂志对此也作了报道(链接)。
上述工作得到了科技部储能材料研究创新团队、中科院知识创新工程能源项目群方向性项目、中科院百人计划和基金委能源项目群重点项目的支持。
迎接钢管新材料业的景气周期
钢管新材料业市场空间广阔。我们将符合国家"十二五"战略发展方向的钢管品种定义为钢管新材料,核心品种主要包括支撑能源结构调整的油气输送管、核电用管、超超临界锅炉管、镍基油井管等,2010年的市场容量超过400亿元,即便假设"十二五"期间CAGR为10%,到2015年其市场容量也将达到644亿元,这对于当前A股五家钢管公司合计122亿元的产值而言,市场空间非常广阔。
油气输送管行业有望迎来景气周期。按照"十二五"规划,2011-2015年全国天然气的消费量CAGR为19.39%,与此相对应的油气输送管长度CAGR为12.27%,均显著高于2006-2010年平均水平,但在"十二五"开局的第一年,诸多大项目仍停留在纸面,我们判断其在2012年陆续开启的可能性较大,若此油气输送管的产能利用率在2012年有望提升15个百分点至79.21%,在此背景下,企业提价(而不是保开工率)的动力充足。
高端钢管新材料的进口替代将会加速深化。当前国内钢管厂具备了绝大部分细分市场顶尖产品(譬如核电蒸发器管、超超临界管、镍基油井管等)的生产技术和生产能力,但终端用户基于自身安全的考量,而将缺乏历史使用业绩的国货之门外,这实际上形成了一个悖论"不让使用,何来业绩?",并且引致了国家层面上的高端原材料受制于人的风险,也阻碍了国家"十二五"规划的全面实现。综合考量国家意愿以及钢企在市场推广方面的努力,我们判断高端钢管新材料加速进口替代的趋势已经形成。
重点推荐的投资标的6个月目标价和催化剂。(1)久立特材:最纯、最高端的钢管新材料股,目标价24.06元,主要的催化剂是超超临界锅炉管、三代核电蒸发器管实现批量生产、销售;(2)常宝股份:挖潜和升级的效果正在显现,目标价17.90元,主要催化剂是并购重组和募投项目盈利能力超预期;(3)金洲管道和玉龙股份的目标价分别是12.83元、12.73元,催化剂是中石油的西气东输三线、中石化的出疆管线等大型项目开始建设。风险方面主要提示新股IPO过度包装风险。
纳米新材料设备引领新风尚
中国科技网讯 根据摩尔定律,半导体芯片上集成的晶体管数量每两年就会翻一倍,其能耗也迅速增加。而且传统的硅电子设备在极端环境如高温或辐射条件下,也无法保证运行。为了支持设备升级并降低能耗,研究人员一直在
中国科技网讯 根据摩尔定律,半导体芯片上集成的晶体管数量每两年就会翻一倍,其能耗也迅速增加。而且传统的硅电子设备在极端环境如高温或辐射条件下,也无法保证运行。为了支持设备升级并降低能耗,研究人员一直在寻找替代技术或混合型技术,其中纳米电机(NEM)交换技术正逐渐显出光明的前景。过去10年来,科学家对开发混合型或独立型的纳米电机设备倾注了极大热情。
据物理学家组织网近日报道,最近,美国西北大学麦考密克工程学院研究了纳米电机领域近10年来取得的进步,详述了各种不成功模式以及克服这些缺点的可能方法,并对该技术的前景、当前面临的主要挑战进行了综合性探讨。相关论文发表在《自然·纳米技术》上。
"纳米电机交换器由纳米结构组成,比如碳纳米管或纳米线,在静电力作用下会发生机械转向,从而连通或断开电极。"该学院制造与企业教授奥拉西奥·埃斯宾诺萨解释说,这种交换器可以设计得像硅晶体管那样工作,既能单独运行,也能制造混合型纳米电机—硅设备,同时满足超低能耗和耐高温辐射环境的需求。
研究人员指出,纳米电机行业面临着一项长期挑战,就是要造出百万级的碳纳米管阵列,这是进一步制造纳米电机设备所必需的,而现代硅电子设备能在一块芯片上做出数十亿的晶体管。他们在论文中详述了到目前为止生产纳米阵列的多种方法,以及实现大规模生产纳米电机—集成电路芯片混合型设备的途径。
此外,要让单独的纳米电机可靠运转数百万次极为困难,但这却是消费性电子产品所必需的。"如果给纳米电机设备使用普通的金属电极,交换器启动后转不到10次就会停下来。"论文合著者、西北大学博士生欧文·罗说。
他表示,解决方法很简单,只要用一种导电的、类似于钻石的碳薄膜替换金属电极,就能大大提高设备对转数的承受能力。目前的转数已超过100万次,这一改进是推动纳米电机设备进入现实的关键一步。这种新材料由西北大学、桑迪亚国家实验室集成纳米技术中心、阿尔贡国家实验室纳米材料中心合作研究,相关论文已发表在《先进材料》杂志上。
从大型服务器到汽车、手机,传统的硅基集成电路得到广泛应用,这离不开半导体工业数十年来的持续升级。埃斯宾诺萨还指出,新材料的选择将大大提高下一代纳米电机设备的坚固性和稳定性,推动电子产业规模继续升级,为各行各业服务。无论是混合型还是独立式,都需要来自工程、基础科学和材料科学领域的推动力。
纳米材料与生物体系间互作研究获进展
2012年5月14日,浙江大学高分子科学与工程学系及硅材料国家重点实验室的徐明生教授在《科学报告》(Scientific Reports)在线杂志上发表了题为"Formation of Nano-Bio-Complex as Nanomaterials Dispersed in a Biological Solution for Understanding Nanobiological Interactions"的文章。该研究发现纳米材料在生物环境中会选择性地吸附生物环境中的离子/分子而形成纳米-生物的聚集体(nano-bio-complex),揭示了纳米材料-生物体系之间存在复杂的相互作用。徐明生教授为该文章的第一作者和通讯作者,有关工作得到了国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、浙江省科技厅、浙大高分子科学与工程学系及硅材料国家重点实验室的资助和支持。
纳米材料已逐渐应用于人们的日常用品如防晒霜、餐具、衣服、运动用品等,在生物医学领域如药物载体、癌症治疗、基因治疗、抗菌材料、组织工程、医学诊断、生物传感器等方面具有广泛的应用前景。在另一方面,纳米材料的安全性日益受到人们的关注:人们越来越担心纳米材料的纳米特性,如小尺寸效应、表面和界面效应以及量子尺寸效应等,可能引发特殊的生物学效应,给人类健康造成威胁、给环境以及社会带来负面影响;比如,如果纳米纤维状的石棉被吸入人体内,附着并沉积在肺部,可能造成如石棉肺、胸膜和腹膜的皮间瘤等肺部疾病。研究纳米材料与生物系统包括细胞、组织、器官、动物、人体等之间的相互作用有助于我们深入理解纳米材料的毒性机理,研发高效的药物/基因载体。
通常,纳米材料进入生物环境会吸附生物环境中的蛋白质分子而形成一个动态的纳米颗粒-蛋白质环(nanoparticle protein corona),学术界常 以这种蛋白质冠状效应为"模型"去解释纳米-生物界面所发生的相互作用。然而,利用透射电子显微镜,浙江大学陈红征教授组的徐明生教授与日本的国家材料科学研究所的Nobutaka Hanagata教授等合作揭示了比这更复杂的界面效应。他们发现纳米材料在生物环境中不但会吸附生物环境中的蛋白质分子,而且会选择性地吸附生物环境中的离子/分子而形成纳米-生物的聚集体,并且这种聚集体的形成与生物环境中有无蛋白质分子没有联系,这样,细胞"看到"的或直接接触到的可能并非纳米材料本身。
该研究报道的若干发现极大的加深了我们对纳米颗粒在生物环境中的冠状效应的理解;对于理解纳米材料的细胞毒性机理,具有重要的科学意义和应用价值。
新材料产业联盟有助打造完整产业链
《新材料产业"十二五"发展规划》的发布,为中国新材料产业未来的发展指明了方向。作为战略性新兴产业,新材料产业的发展面临着诸多难题,推进新材料产业联盟的建设,将有助于新材料产业的健康、快速发展。
联盟有助于打造完整的产业链
产业联盟是指基于确保合作各方的市场优势,寻求新的规模、标准、机能或定位,应对共同的竞争者或将业务推向新领域等目的,企业间结成的互相协作和资源整合的一种合作模式。自上世纪70年代末起,产业联盟便开始在美国、欧洲、日本等发达国家和地区兴起。进入20世纪90年代,产业联盟在中国开始蓬勃发展,TD-SCDMA产业联盟、宽带联盟、WAPI联盟、光伏产业联盟等一大批高新技术领域的产业联盟日益兴起。产业联盟已经成为重要的产业组织形式,对于新兴产业的发展具有重要意义。
新材料产业联盟将有助于打造完整的新材料产业链。新材料产业本身处于制造业产业链的上游,新材料产业的上游产业大多是冶金、化工和建材等基础性原材料产业。作为现代产业的基础,新材料产业的下游产业几乎囊括了新一代信息技术、新能源、新能源汽车、高端装备、生物医药、节能环保等所有的战略性新兴产业。产业联盟建立后,可以促使新材料生产企业与原材料企业、下游应用环节的用户紧密合作,利益共享,成员优势得到充分发挥,形成从上游原材料生产,到新材料加工,再到下游示范应用的完整产业链,构建起强大的新材料产业集群。
产业联盟将有助于新材料产业的研发合作。新材料产业科技含量高,研发投入大,单个企业往往难以单独承担研发的成本和风险。在产业联盟的推动下,不但可以解决新材料产业的共性技术问题,降低研发成本、分担研发风险;而且还可以实现研发资源互补,通过资源互补共同完成创新;缩短研发周期,进而在全球化的竞争中抢占市场先机。
产业联盟将有助于促进新材料产业的市场间合作。新材料产业的发展依赖于上下游相关产业的发展,特别是下游用户的进一步创新开发,才能使新材料产品最终走向市场。形成产业联盟后,成员间可以联合开拓创新产品的用户市场,解决创新产品市场启动成本高的问题;通过联合采购降低创新产品的成本,帮助中小企业在创新产品发展初期便达到规模经济的效益。
组建联盟需主管部门和企业共同努力
原材料产业协会或联盟的运作已非常成熟,而新材料产业联盟则有待突破。在钢铁、石化、建材等传统原材料领域,产业联盟或协会已经成为产业发展的重要力量。如中国钢铁工业协会现有团体会员单位256个,个人会员67人,理事154个,常务理事60个,代表了中国钢铁工业的骨干力量,发挥了政府和企事业单位之间的桥梁、纽带作用。新材料产业作为新兴产业,相关细分领域联盟数量较少,发挥的作用也极为有限。产学研用脱节是当前制约中国新材料产业发展的关键瓶颈之一,大多数新材料企业处于各自为政的状态,相互之间沟通不畅;与科研院所、下游用户也缺乏有效的沟通,产业发展没有形成合力。
地方性产业联盟方兴未艾,全国性产业联盟亟待组建。当前,黑龙江、上海、深圳等省市已在当地新材料领域组建了相关协会或联盟,为当地新材料产业的发展做出了积极的贡献。如深圳新材料协会成立一年多以来已发展会员180多家,汇聚了深圳市电子信息材料、新能源材料、生物材料等领域的骨干力量。然而,全国性的新材料产业联盟尚未形成,组建工作任重而道远。
为了推进新材料产业联盟的组建工作,政府主管部门和企业需要共同努力。
对于政府主管部门来说,首先,要把握新材料产业联盟的需求。《新材料产业"十二五"发展规划》已经制定,作为新材料产业发展的纲领性文件,为新材料产业联盟的组建提供了方向。其次,要合理进行引导。要引导生产企业与科研院所、下游用户紧密合作,建立一批以重点企业为主体,上下游紧密合作,分工明确,利益共享,成员优势得到充分发挥的产学研用一体化新材料产业联盟。再次,要创新联盟模式。政府主管部门需要认真分析新材料产业发展的关键要素,同时借鉴其他联盟的运作模式,从而确定新材料联盟的组建任务,创新联盟组织形式。另外,要循序渐进。新材料产业覆盖领域广,产品种类多,一次性组建全国范围的综合性新材料产业联盟难度很大,可以从已有一定基础的细分领域入手,如金属靶材、碳纤维、新型轻质合金材料等,待时机成熟再筹建综合性新材料产业联盟。
对于企业而言,首先,要有大局意识。认识到先"把蛋糕做大"是新材料产业发展的第一要务,而不要在产业尚未形成规模之际就把目光聚焦在如何分配利益上,甚至进行恶性竞争,影响整个产业的发展。其次,要积极参与产业联盟的组建工作。特别是产业的龙头企业,作为产业发展的中坚力量,理应承担起相应的责任。最后,要建立起信息沟通与共享机制。一方面,企业要与政府机构进行有效的沟通,积极提出产业发展面临的问题,使得政府在制定相关政策时能够更有针对性;另一方面,企业之间要加强沟通与分享,建立信息沟通、发布、共享和获取的平台,降低信息获取和沟通成本。
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