陈思远
上海仪耐新材料科技有限公司 上海市 201620
摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，能源与环境是世界发展的两大议题。海洋资源丰富，蕴含结构多样、性质丰富的生物质材料、矿物材料等，在储能领域展现出良好的应用前景。对新型海洋材料，如海洋生物质材料、衍生碳功能材料和海洋矿物材料等在储能领域的应用进行了系统评述。海洋生物质材料自然界储量丰富、环境友好，被广泛应用于储能体系的粘结剂等功能组分；海洋生物质碳化材料富含丰富的孔隙结构，作为先进电极显示出优异的应用潜力；海底矿物材料被作为电极材料和模板材料应用于储能体系中，海底矿物的开采是其未来应用的重要技术保障。对新型海洋材料的类型以及在储能领域中的应用形式进行了总结，并对海洋与能源的交叉发展进行了展望，进一步推动新型海洋材料的可持续利用。
关键词：新型海洋材料；储能；海洋资源
引言
海洋生物污损（biofouling）是从事涉海工业面临的主要问题。近年来，随着海洋资源开发与利用的快速发展，附着海洋生物带来的危害和经济损失越来越大，生物污损问题备受关注。一般地，生物污损会导致船舶等自身重量增加，兴波阻力增大，机动性能降低，还会阻塞输水管道，加快金属的腐蚀，导致水下水工设备维护成本增加甚至停机检修等，带来经济损失和安全隐患。目前，防治生物污损最常用的方法是涂装含杀生剂的防污涂料，其施工简便，应用范围广泛。20世纪60—70年代，有机锡自抛光防污涂料（TBT-SPC）的成功开发将海洋防污技术带入了新时代，但在后来的应用中发现有机锡（TBT）化合物具有极大的环境生态危害，因此，国际海事组织（IMO）宣布自2008年开始禁止在海洋防污涂料中使用有机锡化合物。自此，低毒及无毒防污涂料的研发成为了研究热点。近年来，研究的新型防污涂料主要有无锡自抛光防污涂料、低表面能防污涂料、仿生防污涂料等，其中，无锡自抛光防污涂料具有成本低廉、技术成熟度高、防污效果优异等优点，仍然占据市场主导地位，其通常利用对环境影响较小的铜、锌、硅的水解共聚物代替了有机锡共聚物作为防污涂料的粘结剂，使用含铜化合物替代有机锡化合物作为主要防污剂。
1“陆地风电+储能”到“海上风电+储能”
由于风电的不确定性，大规模陆地风电场通过储能技术实现并网送电。相比于陆地，海上有更加良好的风力资源，风电场自然也建立在了海洋上，成为“海上风电场”。海上风电同样存在不确定性，同样需要储能技术实现并网。对于离岸较近的风电场，可建立相应的陆上储能变电站。但为了追求更优质的风电和更大的装机规模，风电场需要建在较远的海域，甚至到达远海远岸。这时储能装备“下海”与风电场一起建在海上就更具经济性，从而储能“技术转移”到海上，成为海上储能，属于海洋新能源的一部分。目前，我国海洋新能源项目基本是单纯海上风电场建设，“海上风电+储能”的技术还处于验证阶段。
2新型海洋材料在储能领域的应用进展
2.1粘结剂
海藻酸钠作为一种高产量、低成本的生物质材料，具有良好稳定性，含有大量-COO-，在水溶液中表现出聚阴离子行为，具有较高黏度特性。在电极中，粘结剂是用来将电极活性物质粘附在集流体上的高分子化合物，其主要作用是粘结和保持活性物质，增强电极活性材料与导电剂以及集流体之间的电子接触，缓解体积膨胀，更好地稳定电极结构。因此，海藻酸钠被作为粘结剂应用于锂离子电池、钠离子电池等储能器件中。
浙江大学韩伟强教授团队通过将海藻酸钠与羧甲基纤维素质子化并混合的方式得到无定形交联粘结剂，并将其作为锂离子电池的硅负极粘结剂，对硅负极起到良好保护作用，使硅负极因充放电而发生体积变化时，始终保持电极稳定性，因此展现出良好循环稳定性（500mA/g电流密度下充放电150次后，放电比容量仍有1863mA?h/g）。中山大学孟跃中教授团队直接将海藻酸钠作为粘结剂应用于锂离子电池有机Li2TP负极中，与常用粘结剂PVDF比较，表现出更高循环稳定性以及倍率性能，在1C情况下，1000次充放电循环后仍保持130mA?h/g放电比容量以及接近100%库伦效率。常用粘结剂PVDF作为钠离子电池正极粘结剂时，在充放电循环过程中电极体积膨胀，导致电极材料表面出现裂纹，并与集流体脱离。
2.2低速冲击后剩余压缩强度
通常采用冲击后剩余压缩(CAI)强度来衡量耐冲击性能的大小，以确定缝合结构起到的作用。当冲击能量与层合复合材料厚度之比在3～5J/mm时，缝合对CAI强度起到积极的作用。采用4.45J/mm冲击能量研究缝合复合材料的湿热CAI强度变化。在湿热环境下，缝合可提高层合复合材料的CAI强度，提高程度为8%～26%，这与铺层顺序和缝合方向有关。其中，采用［0/45/0/－45/90/－45/0/45/0］2s(单层布自下而上按0°、45°、0°、－45°、90°、－45°、0°、45°、0°重复循环2次，再镜像对称1次的顺序)铺层的缝合复合材料的湿热CAI强度都优于［45/0/－45/90］4s铺层，且铺层顺序会影响缝合角度起到的作用，对于不同的铺层顺序存在着不同的最佳缝合角度。含冲击损伤的层合复合材料在受到压缩载荷时，首先会出现局部的屈曲现象，进一步扩展到整体，最终导致层合复合材料的失效。在湿热环境下:一方面，吸湿会减少层合复合材料的破坏面积;另一方面，吸湿所产生的不利因素，例如塑化、溶胀、界面强度弱化等，使层合复合材料更易发生屈曲，从而降低层合复合材料的CAI强度。缝合能够有效抑制局部屈曲现象的萌生和扩展，使得含低速冲击损伤的缝合复合材料的压缩失效机制变为以纤维断裂为主，从而有效地提高缝合复合材料的CAI强度。值得注意的是，在湿热环境下缝合孔周围的富树脂区吸湿，会弱化缝线和基体之间的界面强度。这可通过采用树脂润湿性优异的缝线纤维或改善基体的韧性来提高缝线和基体之间的界面强度，从而进一步提高缝合在湿热环境下带来的积极作用。
2.3涂层的接触角
静态接触角可以提供涂层材料表面的润湿行为以及亲、疏水特性等信息。对于自抛光防污涂层在海水中发挥抑制生物附着的作用具有重要影响。纳米材料改性防污涂层的静态接触角。涂层在海水浸泡的初级阶段，防污涂层的接触角均大于90°，随着浸泡时间的延长，其减小，并在后期趋于平稳，约70°。这表明，涂层在海水中浸泡后其表面润湿性从疏水性变成了亲水性。因为构成防污涂层的基体树脂是含有硅烷基的，其在成膜过程中，由于相容性会优先向表面迁移，且含硅的基团多悬挂于聚合物的主链上，易于运动，最终使得涂层表面的疏水基团相对较多，以防止海水渗透到漆膜中，浸水之前的接触角大于90°。
结语
1）开发低成本加工技术，降低新型海洋材料制备成本，推进新型海洋技术在不同储能领域中的大批量应用，加快绿色储能发展；2）开发新型储能技术，原位利用海洋生物质、海洋矿物等在海洋中实现能量转换、贮藏，减少因新型海洋材料开采、加工、运输等过程造成的能源浪费与经济问题，实现真正的“取之海洋，用之海洋”；3）开发深海资源探索技术，获取新型生物质材料与生物质碳化材料；开发海底矿物资源分离与提取技术，将海底矿物资源分离得到纯度较高的矿物材料，解决现有陆地矿藏资源匮乏的现状。
参考文献
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