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湖北日报:挺进“无人区” 开辟“钒蓝海”——大发welcome登录入口张一敏团队攻克钒提取和应用难题

发布者:程毓发布时间:2022-04-13浏览次数:68

    湖北日报全媒记者 张歆 通讯员 禾正青

阅读提要

    4月6日,大发welcome登录入口国家环境保护矿冶资源利用与污染控制重点实验室,研究人员站在一座占地约2平方米的长方体机器前,插上电源,打开开关,接上逆变器,几乎同时,两排灯泡亮了起来,约20平方米的实验室瞬间亮堂堂。

    长方体机器其实是一个钒电池储能系统,储电量比普通商用钒电池高三分之一。这是大发welcome登录入口张一敏教授团队的最新成果,相关技术将在湖北中钒新材料有限公司推广应用,提升风能光能等清洁能源的储存效率,削峰填谷,避免弃电和能源浪费。

三年攻关突破浓度“最大值”

    钒电池储能系统由正负电极、电解液储液罐、离子交换膜组件等几部分构成,通过电解液中钒离子的价态变化来产生电流流动,循环使用次数可达5000次至1万次,是锂电池的10倍以上,寿命长,安全性更高,适合于在光伏储能、风电储能等大规模储能项目中应用。

    钒电池也有缺点——单位体积能量密度小。若把钒电池作手机电池,半天不到,手机电量就可能耗尽。提高钒电池的能量密度,是科学家们科研攻关的重点,其中的关键是电解液中钒离子的浓度。

    钒离子浓度越高,储存的电量就越大,但浓度提升后,钒离子就会结晶沉淀,发挥不了储电效果。一般商用钒电池电解液中,钒离子浓度在1.8摩尔/升,这几乎是钒离子不沉淀的前提下浓度的最大值。

    张一敏教授团队历经3年科研攻关,通过在电解液中加入有益有机、无机基团,通过钒离子缔合作用,在电解液稳定的前提下,在实验室中,把钒离子浓度提升了0.6摩尔。

    “钒电池循环使用次数多,使用寿命长,一次投入能够带来持久的产出,对企业而言,0.1摩尔的提升也会带来很大效益。”团队教授刘涛介绍,出于工业生产的稳定性考虑,已成功实现科研转化的钒电池电解液浓度为2.0摩尔/升。

挺进钒提取科研“无人区”

    钒电池是高纯度钒的一种应用。钒是一种稀有金属,少量使用,能极大地提升产品的强度、韧性、耐高温性、抗腐蚀性,又被称为工业“维生素”。

    但高纯钒的提取十分困难。钒的熔点高达1890℃,以广泛分布在我国长江流域的钒页岩为例,钒含量只有0.7%左右,焙烧时,钒页岩中其他软熔杂质熔化成液体,包裹在钒上,形成坚硬的外壳——“硅盖罩”,被科学家们称为“无法破解的难题”,焙烧同时要消耗大量能源,对环境造成污染。

    由于科研难度太大,钒提取是矿冶科学家们不轻易触及的领域。上世纪80年代,作为我国首批进行钒提取科研攻关的专家,张一敏进入这片科研的“无人区”。

    为解决“硅盖罩”,团队研发出“双循环法”,调试出合适的焙烧温度,在钒被杂质液体包裹前,把钒释放出来。

    应用到工业领域,又一个突出问题“冒”了出来——流程太长、工艺繁复、污染物回收复杂,和工业化生产要求的简便快捷不相符。团队又研发出“一步法”,把多个装置集成在一个设备里,在提取钒的同时,实现废水废渣综合利用。

    两项提钒技术方案大幅提高了钒的产能,实现生产过程“零污染”。团队分别于2007年、2010年、2017年3次荣获国家科学技术奖。技术成果发布后,矿业企业的技术邀约纷至沓来。

    经过一系列技术更新,目前,团队提取的高纯钒纯度达99.99%,实现全链条绿色生产。

打通供求,连成一片“钒蓝海”

    从产业链前端的钒提取做到后端的钒应用,自主知识产权超过80项,团队是如何做到的?

    “都是和企业‘磨’出来的。”张一敏介绍,我国钒页岩的储量占全世界90%,攻克了高纯钒的提取,就能开辟出一片工业“蓝海”(未知的市场空间)。不同于大宗商品,钒的用途广,但用量少,目前全世界的年用量约20万吨,且和钢铁等大宗商品的价格捆绑,企业只开展钒提取业务,若钒的售价过低,企业就可能停产。

    出于钒产业本身持续发展的需要,作为钒研究的先行者,张一敏团队一直在探索一条平衡企业风险的科研道路。团队选择的路径是——打通钒产业的供求,进行钒提取研究的同时,挖掘钒产品的应用空间,如在钢筋中加入少量钒提高强度,用钒制作有抗腐蚀性的海工材料等。

    以团队钒电池的科研转化为例,企业事实上分别转化应用了钒提取和钒电池两种技术,站在高纯钒的供求两端,既能够双边受益,又能够有效应对钒价格波动带来的风险。

    科研和企业的互动,让钒产业的未来有了无限可能。

    在张一敏团队的展厅里,专利技术、科研成果摆满一整面墙。作为我国首批进行钒提取科研攻关的专家,在2010年之后,张一敏才真正迎来科研成果的“爆发期”,科研之路一大半都泡在反反复复的实验中。回忆往昔,张一敏很豁达:“对于想走科研路的人来说,有压力的话,就去奋斗吧!”

    https://epaper.hubeidaily.net/pc/content/202204/13/content_163690.html  

  

  

  

  

 

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