呂堅院士：先進材料如何助力動力電池、氫能系統(tǒng)發(fā)展？

“雙碳”目標的提出，使得中國的能源行業(yè)正在迎來變革。

節(jié)能減排作為“雙碳”目標下的重要手段之一，光伏、風電等新能源市場將借此打開更廣闊的空間。而對相關(guān)企業(yè)而言，如何抓住“雙碳”目標所帶來的新能源產(chǎn)業(yè)機遇，通過不斷的創(chuàng)新，打造新的經(jīng)濟增長點和新賽道，儼然成為了一個新的挑戰(zhàn)。

在由新材料在線《百大名師系列在線課程》上，法國國家技術(shù)科學院（NATF）院士、香港工程科學院院士、香港城市大學機械工程講座教授呂堅就對這一問題作了《基于先進材料與增材制造的低碳高效能源系統(tǒng)發(fā)展的主題報告》，給出了自己的答案。

攻克鋼材料 降低生產(chǎn)能耗

目前，全球約有130個國家計劃在21世紀中葉達成“碳中和”目標，其碳排放額占全球碳排放額的61%左右。在呂堅看來，隨著中國“雙碳”目標的提出，如何通過更好的設計、更好的材料進行大幅度的節(jié)能減排，已成為業(yè)界重點關(guān)注的問題。

呂堅分析道，如果能夠提高機械系統(tǒng)的性能、效率，大幅度地降低能耗將會成為可能。材料科學則是其中非常重要的一個著力點，目前，結(jié)構(gòu)材料通常被用在各種類型的移動系統(tǒng)中，包括飛機、高鐵、機器人以及手機等移動系統(tǒng)，如何優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)材料，大幅度降低能耗，是機械系統(tǒng)節(jié)能減排的關(guān)鍵所在。

呂堅介紹了團隊的研發(fā)成果，據(jù)了解，鋼材料在不同的工業(yè)中應用廣泛，團隊通過同時提高鋼的強度和塑性，使其強度達到世界先進水平，破解了百年來困擾行業(yè)的強塑性倒置的難題。

在呂堅看來，如果能夠?qū)⒉煌盗械匿摯蠓鹊挠糜趧恿ο到y(tǒng)或是機械系統(tǒng)上，不僅能大幅度降低能耗，同時生產(chǎn)這些材料本身的能耗也能得以大幅降低。

增材制造 助力結(jié)構(gòu)材料發(fā)展

呂堅表示，增材制造技術(shù)是未來結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的非常重要的助力引擎，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)為材料及設計帶來了無窮的想象力，“這是一個可以大幅度降低材料的使用、提高設計水準、提高生產(chǎn)效率的先進技術(shù)。”呂堅說道。

傳統(tǒng)的制造業(yè)，從材料的制備、零部件加工、器件組成、系統(tǒng)的形成，到最后的廢料、回收，整個過程中的材料均離不開鋼鐵、水泥、陶瓷等基礎(chǔ)材料，在生產(chǎn)過程中，每個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生較多能耗和環(huán)境污染。

而增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，打破了這一尷尬局面，增材制造的原理是將計算機設計出的三維模型分解成一系列平面切片，通過激光電子束、粒子束等能源將材料固化熔融，一層層累加，最終形成三維結(jié)構(gòu)的物體。其哪些地方需要材料，就把材料加在哪里，并且能適應各種個性化定制制造需求，不需要專門的工裝卡具模具，就可直接打印出所需結(jié)構(gòu)的材料。這種節(jié)約型制造方式，使其在前幾個環(huán)節(jié)就能節(jié)省非常多的能源和材料。

當前，增材制造技術(shù)已經(jīng)能夠適用各種材料，包括非金屬材料、金屬材料、陶瓷、塑料、復合材料等，越來越多的材料被研究用于3D打印，滿足各種工程的需要。呂堅認為，增材制造技術(shù)已經(jīng)越來越成熟。

“我想越來越多的結(jié)構(gòu)將用增材制造來實現(xiàn)。”呂堅說道。

先進材料 為新能源系統(tǒng)降本增效

“雙碳”目標的提出，無疑也助推了高效節(jié)能系統(tǒng)的發(fā)展。呂堅介紹了團隊在水凝膠系列材料制備，及其在動力電池材料的新進展以及未來低價制氫的研發(fā)等成果，他認為，先進材料與增材制造一樣，是助推高效能源系統(tǒng)的重要引擎。

在先進材料方面，針對近期火熱的動力電池與氫能，呂堅團隊的研究有了新的發(fā)現(xiàn)。

盡管如今動力電池的價格呈現(xiàn)出較快下降的趨勢，但其價格與太陽能、風能相比，仍較為昂貴。而水凝膠在生物傳感、能量存儲等領(lǐng)域的應用中一直占有突出地位。但目前的研究大多圍繞著有機凝膠展開，有機水凝膠制造時普遍需要使用有毒的有機溶劑，且本身存在著熱穩(wěn)定性低、易燃性高、易受光損傷等問題。

在此基礎(chǔ)上，呂堅團隊研發(fā)了新型純無機、生物相容的礦物水凝膠。這種無機水凝膠不僅可以提供高水平的離子電導率，且具有強大的電荷存儲能力，因此可以較容易地組裝成一體化電荷存儲裝置，使得電荷儲存器件達到較高的能源效率。此外，其制備過程環(huán)保、簡單、低成本，這無疑為帶動高效、節(jié)能、低價的動力電池發(fā)展帶來了可能。

氫能是新能源未來發(fā)展的一個重要方向，根據(jù)美國能源部的能源攻關(guān)計劃顯示，其最大的瓶頸在于未來十年內(nèi)清潔的氫成本要降低80%，低至一美元每公斤。

呂堅介紹道，電解水制氫作為一個主流技術(shù)方向，是降低成本的重要手段。該技術(shù)關(guān)鍵在于研發(fā)出電解水的催化劑。通過組份設計、結(jié)構(gòu)設計，研發(fā)出少量、超少量的貴金屬催化劑，大幅度提高電解水制氫的效能，提升總體的產(chǎn)氫效率，降低產(chǎn)氫成本。呂堅表示，團隊最近研發(fā)的合金催化劑，具有良好的活性和穩(wěn)定性，可以提升產(chǎn)氫效率及降低產(chǎn)氫成本。

“未來，顛覆性創(chuàng)新技術(shù)有三大要素，它們是革命性的設計、顛覆性的新材料以及增材制造。”呂堅最后總結(jié)道。

主題演講結(jié)束后，針對線上觀眾提出的熱點問題，呂堅院士耐心地進行了答疑解惑：

Q1：打印陶瓷材料，能不能控制想要的晶體結(jié)構(gòu)？

呂堅院士：我們現(xiàn)在可以做晶體和非晶體的混合材料。我不知道你說的晶體結(jié)構(gòu)是哪一種晶體結(jié)構(gòu)，如果只是從晶體和非晶體的角度來講，是完全可以打印的。

Q2：3D打印可以打印出來非晶體和晶體的雙相結(jié)構(gòu)材料嗎？

呂堅院士：是可以的，不僅是3D打印可以，4D打印都可以。

Q3：目前影響3D打印規(guī)模化應用的主要問題是什么？

呂堅院士：主要還是成本的問題。大家可以看到我剛才展示電池降價的速度，我相信在未來5年到10年，3D打印將規(guī)模化或者是3D打印的成本會大幅度下降。現(xiàn)在需要找到一些比較通用的實驗材料，實驗材料聚焦以后，它的成本會大幅度下降。

Q4：目前汽車行業(yè)認為3D打印的材料還過不了實驗室測試，如何突破？

呂堅院士：個人認為汽車行業(yè)最主要的問題不是能不能打印，而是成本問題。

Q5：3D打印是否可以打印編織的碳纖維？

呂堅院士：現(xiàn)在已經(jīng)有團隊可以打印這些結(jié)構(gòu)。

Q6：4D是指的哪一維？

呂堅院士：隨著時間變化，它可以變顏色、變幾何形狀，還可以改變光度、亮度。四維是加了它一個驅(qū)動力以后，它隨著時間變化的形狀，而這個變化是打印的時候就已經(jīng)設計好了的。

Q7：陶瓷的相變很多，如果能控制好就能夠獲得想要的晶體結(jié)構(gòu)與功能？

呂堅院士：我非常同意上面這個觀點。

Q8：陶瓷后燒結(jié)耗能非常高，是否有低溫燒結(jié)或者免燒結(jié)的陶瓷，同時具有高價值的應用？

呂堅院士：是有的，你們也可以看看我們另外一篇文章，如水凝膠它就可以在常溫底下變成一個固體。我們發(fā)明了一些新的水凝膠，它可以在低溫燒結(jié)或者免燒結(jié)，直接形成類似生物陶瓷，像貝殼之類的，類似這種陶瓷，它具有高價值的應用。這些陶瓷，可做成高吸能、高吸熱的材料，可應用于太陽能儲能。

Q9：納米顆粒噴射技術(shù)，打印金屬陶瓷材料的應用前景怎么樣？

呂堅院士你：不知道你指的是哪一個，打印金屬陶瓷比如說是用冷噴涂前景其實還是很大的。如果是納米顆粒的冷噴涂，其納米結(jié)構(gòu)有可能會保留，因此可以在低溫的情況下形成一個復雜的形狀，冷噴涂是3D打印里非常好的應用的一個方向。

Q10：3D和4D打印只針對陶瓷材料嗎？

呂堅院士：不是，3D打印可以打印各種合金，4D打印也可以打印合金，如果要打印一個陶瓷和合金混合體，就可以通過這個技術(shù)來實現(xiàn)。

Q11：增材制造在半導體材料及電子器件上會有應用嗎？

呂堅院士：其實電子材料很少有少于5層、10層的，它實際上已經(jīng)是在做增材制造，只是它的叫法不一樣。

Q12：在高分子領(lǐng)域，工業(yè)3D打印技術(shù)市場是否能跑贏金屬3D打印？

呂堅院士：我想很有可能跑贏。比如三維創(chuàng)想，他們每年的增長幅度遠高于很多金屬3D打印，關(guān)鍵是要能夠產(chǎn)生出新的打印技術(shù)和新的材料，和找到高附加值應用。

Q13：4D在智能穿戴領(lǐng)域有什么樣的應用？

呂堅院士：4D在智能穿戴里頭有很多應用，比如說在穿戴系統(tǒng)，再打印一個結(jié)構(gòu)，可以保暖又透風，這種結(jié)構(gòu)其實已經(jīng)有人在做了，可以根據(jù)體溫的變化來實現(xiàn)不同的形狀變化。比如說形狀記憶合金，我們用在心臟手術(shù)的通波仔，它可以產(chǎn)生不同的形狀變化。

Q14：3D打印目前的瓶頸在哪里？

呂堅院士：3D打印目前的瓶頸就是發(fā)展太快。最近這些年超速發(fā)展，但在一些技術(shù)和理論的跟進不足，希望有更多的人加入3D、4D打印的理論工作，只有這樣，才能更好的發(fā)展新的3D打印技術(shù)和新的材料。

Q15：2微米以下的精密3D打印未來市場前景如何？

呂堅院士：個人認為由于2微米超小的結(jié)構(gòu)附加值比較高，其可以最快或者最多的應用在生物醫(yī)學領(lǐng)域，比如說藥的釋放系統(tǒng)。其在生物醫(yī)學領(lǐng)域會有較高的附加值，所以可能會最早的發(fā)展。

Q16：我們與美歐比較，增材制造領(lǐng)域的優(yōu)劣如何？

呂堅院士：第一，美歐的優(yōu)勢就是工業(yè)界真正在用。比如說通用電器，它在飛機零部件上大幅度的推用，據(jù)我所知，國內(nèi)航空航天也在大幅度的推動這些。

國內(nèi)最大的劣勢在于無序發(fā)展。在所有發(fā)展較快的領(lǐng)域，中國都有這個問題。很多人看利潤不錯就擠進來，造成市場秩序的破壞。歐美的3D打印發(fā)展很多年，企業(yè)數(shù)量并不多，而中國近幾年才發(fā)展，但一下就蹦出來無數(shù)家公司，這不利于市場的發(fā)展。

所以如果能夠能將這些體量小和重復性研發(fā)的企業(yè)整合起來，或者投更大的錢做基礎(chǔ)研究，在打印精度、材料的穩(wěn)定性等這些質(zhì)量控制領(lǐng)域里進行提升，就能使3D、4D打印更有序的發(fā)展。

Q17：3D打印的基礎(chǔ)理論發(fā)展還有哪些方面可以做？

呂堅院士：個人認為有非常多的東西可以做。比如粉末方面，如何實現(xiàn)在打印的時候不產(chǎn)生氣泡；攻關(guān)墨水的流變學等等這都是非常高深的理論問題。

另外，應力工程方面，由于多相材料3D打印是同時可以打印不同相目、不同組織結(jié)構(gòu)的材料，那么它必然會產(chǎn)生殘余應力，如何有效的將殘余應力與外在應力結(jié)合到一起，設計零部件或者機械結(jié)構(gòu)，都是非常有意思的科學問題

Q18：增材制造用于鈣鈦礦的能力如何？

呂堅院士：據(jù)我了解，已經(jīng)有一些研究團隊在用增材制造制造鈣鈦礦，跟微電子比，鈣鈦礦并非很復雜的結(jié)構(gòu)，所以完全可以用比較精密的3D打印系統(tǒng)來做。