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2016年9月，美国能源部先进能源研究计划署（ARPA-E）宣布，在新型固态离子导体集成优化（IONICS）主题研究计划下向遴选的16个研发项目资助3700万美元，旨在开发高性能固态离子导体、研发新型制备工艺和器件集成技术，以提高动力电池、电网规模储能设备和燃料电池的性能，同时降低上述电化学设备的成本，加速促进高性能电化学器件的商业部署。 IONICS研发项目主要包括四大核心技术主题，包括：①新型锂离子导体；②高选择性、低成本隔膜材料；③高化学稳定性、高导电性碱性离子导体；④其他交叉技术领域。 具体内容如下： 1、新型锂离子导体（1）开发可卷对卷制造的低成本、自组装单离子导电的有机/无机复合导体材料，用以充当锂金属电极的保护层，抑制锂金属电池枝晶，提高电池能量密度和循环寿命。 （2）为锂金属电池开发全新的聚合物固态电解质，抑制电池枝晶形成，提高电池循环寿命。同时利用计算机建模、材料表征和电化学分析优化电池结构，实现电池性能最优化和成本最低化。 （3）开发高锂离子导电性、高机械性能和高热力学、化学稳定性的玻璃固态电解质，以提高锂金属电池的循环寿命。 （4）利用“冷退火”工艺来制备固态陶瓷和复合电解质，以实现低温（100℃左右）制备固态电解质，提高电解质材料的类型和选择性。“冷退火”工艺也有助于降低电解液阻抗和抑制电池枝晶的形成。 （5）尝试开发柔性锂离子固态电解质涂层保护锂金属电极，将电池的能量密度提高到1000瓦时/升。 （6）开发全新的固态锂电池，即采用熔融状态的电解质填充电极和隔膜之间的空隙，以克服现有技术容积效率低和制造成本高的缺陷，增加能量密度和提高电池的热稳定性。 2、高选择性、低成本隔膜材料（1）为氧化还原液流电池开发具有成本效益的混合型多金属氧酸盐隔膜，以低成本方式将液流电池集成到电网，促进间歇性可再生能源高比例并网集成。 （2）开发低成本、高选择性聚合物隔膜替代现有的离子交换膜，同时开发廉价的有机分子活性材料，以进一步降低氧化还原液流电池的成本。 （3）开发高选择性氯离子导电隔膜，以将铁离子液流电池成本降到100美元/千瓦时以下。 （4）利用现有的廉价商业聚合物来制备氧化还原液流电池隔膜，通过优化隔膜结构，以提隔膜的热力学、化学和机械稳定性；同时采用高导电性纳米粉末提高隔膜的导电性和选择性。 3、高化学稳定性、高导电性的碱性离子导体（1）采用碳氢化合物替代聚合物骨架中的氟元素，为燃料电池开发低成本、耐碱性的阳离子交换膜。 （2）开发基于碳氢化合物骨架的高导电性、高化学稳定性和机械性的氢氧化物离子交换膜，提高氢氧化物离子在电解液中的输运效率。 （3）开发一系列具有优良的化学稳定性、高导电性和机械鲁棒性的碱性聚合物交换膜。此外，通过采用廉价的聚合物和回收利用生产中使用的催化剂来降低交换膜的制造成本。 4、其他交叉技术领域开发新型固态离子导体促进轻质金属（如Al、Mg）电化学电池的研发，开发高稳定性的金属氧化物导体，开发低成本的空气分离技术，避免空气的CO2成分参与反应，导致电池性能失效。 Integration and Optimization of Novel Ion Conducting Solids (IONICS). https://arpae./sites/default/files/documents/files/IONICS_Project%20Descriptions_FINAL.pdf 文章来源： 国家高端智库 中国科学院《科技前沿快报》，2016年，第12期。 图片来自网络 |
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