中國(guó)粉體網(wǎng)訊 礦物復(fù)合材料是指組成復(fù)合材料的多種組分中,含有一種或多種礦物組分從而使材料具有新性能的多相固體材料，且以礦物材料為主要或重要組分的復(fù)合材料。
其中的礦物組分可以包括工業(yè)礦物與巖石,不僅可以是以長(zhǎng)石、石英、鋁土礦等為代表的工業(yè)礦物原料,也可以是包括天然礦物材料和人工礦物材料的工業(yè)礦物材料,如石墨、云母、沸石等,還有以高嶺土、膨潤(rùn)土、碳酸鈣為主的工業(yè)巖石原料和工業(yè)固體廢物等。
1、礦物復(fù)合材料與能源產(chǎn)業(yè)相關(guān)性概述
現(xiàn)如今,隨著國(guó)際材料科學(xué)的發(fā)展及我國(guó)對(duì)新能源技術(shù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的大力支持,新能源或能量存儲(chǔ)材料已逐漸成為功能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。例如,由天然礦物石墨衍生出的石墨烯復(fù)合材料和黏土礦物插層復(fù)合材料已經(jīng)在儲(chǔ)能、催化、光電、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域大放異彩�？梢灶A(yù)見(jiàn)，下一代礦物復(fù)合材料的形態(tài)、功能和應(yīng)用很可能會(huì)隨著人類(lèi)對(duì)材料物理機(jī)制的挖掘而不斷地豐富和增長(zhǎng)。
根據(jù)礦物組分,可將礦物在礦物復(fù)合材料在能源產(chǎn)業(yè)中的作用分為3種:
（1）礦物功能單元:本身具有直接應(yīng)用功能屬性的礦物,如黃鐵礦復(fù)合材料用于鈉離子存儲(chǔ)；赤鐵礦復(fù)合材料用于超級(jí)電容器；輝鉬礦復(fù)合材料用于HER等。
（2）礦物結(jié)構(gòu)單元:本身無(wú)直接功能屬性,主要起分散性、負(fù)載性等結(jié)構(gòu)性作用。如埃洛石復(fù)合材料用于光催化HER,尾礦復(fù)合材料用于資源化綜合利用等。
（3）礦物輔助單元:不具備直接應(yīng)用功能屬性,但具有輔助功能屬性的礦物。如電氣石復(fù)合材料用于光催化抗菌應(yīng)用，電氣石本身不是光學(xué)半導(dǎo)體,卻能自身受激產(chǎn)生載流子用于光催化；石墨烯不具備發(fā)電功能,但可作為聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）薄膜自?xún)?chǔ)能發(fā)電的填料調(diào)控壓電-介電耦合發(fā)電等。
2、天然非金屬礦物復(fù)合材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用
（1）石墨
核能用高溫氣冷型燃料基體材料需用64%的天然鱗片石墨。利用石墨良好的導(dǎo)電性可制成太陽(yáng)能電池、風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能用電池,用于光伏等清潔能源領(lǐng)域,節(jié)約能源消耗。天然石墨負(fù)極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵原料,以天然石墨為原料,生產(chǎn)鋰離子電池、新型動(dòng)力電池、超級(jí)電容,用于混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能汽車(chē)等領(lǐng)域。石墨烯的開(kāi)發(fā)利用又將石墨的用途提升到一個(gè)新的高度。未來(lái)石墨及其制品將廣泛應(yīng)用于宇航衛(wèi)星、智能手機(jī)、平板電腦、混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域,成為戰(zhàn)略新興材料。
（2）蒙脫石
隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高,人類(lèi)對(duì)可穿戴柔性材料的需求不斷上升。PVDF及其聚合物由于其特有的壓電性和柔韌性,具有制備柔性可穿戴傳感器/儲(chǔ)能器的潛力。但PVDF壓電聚合物壓電系數(shù)較小，壓電響應(yīng)弱于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)壓電材料,而制備PVDF/礦物壓電材料則能較好地解決該問(wèn)題。以蒙脫石、云母、埃洛石等為代表的礦物材料表面擁有豐富的官能團(tuán)或電子云,有利于誘導(dǎo)PVDF類(lèi)高分子形成電活性的β相或者為電荷移動(dòng)提供路徑,且上述材料成本較低,制備工藝簡(jiǎn)單,是合成復(fù)合壓電儲(chǔ)能器材的理想材料之一。
（3）凹凸棒石
某些天然礦物具有特定的形貌結(jié)構(gòu),如凹凸棒石、蒙脫石、埃洛石、硅藻土等,常用作模板合成具有特定形貌的多孔碳材料。LUO等采用硬模板法以凹凸棒石為模板、檸檬酸為碳源制備了介孔碳材料,該材料復(fù)制了凹凸棒石的納米棒狀結(jié)構(gòu),比表面積和總孔容分別達(dá)707m2/g和1.22cm3/g；在2mA/cm2的電流密度下,能達(dá)到182F/g的比電容,1000次充放電循環(huán)后其電容保持率仍高達(dá)95.68%,表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
（4）硅藻土
在新能源領(lǐng)域，硅藻土被認(rèn)為是制造多孔硅電池負(fù)極十分有前景的原材料，硅—氧化錳有望作為超級(jí)電容器電極材料，硅藻太陽(yáng)能電池是硅太陽(yáng)能電池的一個(gè)發(fā)展方向，硅藻土還是室溫儲(chǔ)氫的理想物理吸附材料，硅藻土復(fù)合材料可作為潛熱儲(chǔ)能技術(shù)相變材料。
（5）螢石
含氟背板膜、含氟前板膜等主要用于太陽(yáng)能電池；葉輪氟涂料主要應(yīng)用于風(fēng)能發(fā)電中的風(fēng)機(jī)；六氟磷酸鋰主要用于鋰電池；全氟離子膜主要用于燃料電池。含氟鋰電池材料、氟橡膠主要用于動(dòng)力鋰電池、密封制品中。
（6）硅納米管
隨著科技的發(fā)展,氫的制備已不再是難題,但由于氫的特殊理化性質(zhì),氫氣的儲(chǔ)存是氫能使用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前物理吸附儲(chǔ)氫材料主要有:碳基材料及其衍生物、沸石分子篩、硅納米管、金屬有機(jī)骨架化合物和共價(jià)有機(jī)物骨架等。在以上儲(chǔ)氫材料中,天然礦物自身具有豐富的納米孔結(jié)構(gòu),能為氫氣提供大量的吸附位點(diǎn),并且穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)也能為氫氣的安全儲(chǔ)存提供保障。
（7）海泡石
傳統(tǒng)的電極材料由于其理論比容量受限,已不能滿足當(dāng)前高比特性鋰電池的市場(chǎng)需求。天然礦物用作鋰硫電池的復(fù)合正極材料可有效彌補(bǔ)多硫化物導(dǎo)電性差和易溶解等缺陷。天然海泡石吸附性強(qiáng)且成本低廉,多硫化物的溶解問(wèn)題在添加海泡石后得到了顯著改善,并以此獲得穩(wěn)定的電化學(xué)性質(zhì)。
（8）沸石
天然礦物可有效彌補(bǔ)聚烯烴類(lèi)隔膜的缺陷,從而大幅提升鋰離子電池的各項(xiàng)性能。沸石隔膜的孔隙率、熱穩(wěn)定性、電解液親和力以及容量保持率均優(yōu)于傳統(tǒng)聚烯烴隔膜。張紅濤等以沸石、硅溶膠和乙二胺四乙酸為原料,采用燒結(jié)工藝制備了沸石基鋰離子電池隔膜，多孔沸石隔膜組裝的鋰離子電池經(jīng)300次充放電循環(huán)后容量衰減率僅為4.2%。沸石隔膜的孔隙率、熱穩(wěn)定性、電解液親和力以及容量保持率均優(yōu)于傳統(tǒng)聚烯烴隔膜。
（9）云母
云母膨脹系數(shù)高,因此可制備膨脹云母作為模板劑或通過(guò)導(dǎo)電云母負(fù)載其他材料制備電極。鄧興制備了云母片上外延生長(zhǎng)的高結(jié)晶質(zhì)量的B相VO2薄膜并用于電容器正極材料,電化學(xué)性測(cè)試發(fā)現(xiàn)其比電容可達(dá)275F/g,1000次循環(huán)后的容量保持率高達(dá)78%。
（10）埃洛石
埃洛石是天然的硅酸鹽礦物,常常被用作制備硅負(fù)極的硅源。此外，埃洛石復(fù)合材料也用作二次電池，可以有效改善電解質(zhì)的鋰離子導(dǎo)電性、隔膜的質(zhì)子交換導(dǎo)電性及熱力學(xué)穩(wěn)定性，如天然埃洛石納米管（HNT）可以直接用作鋰硫電池的固態(tài)電解質(zhì)填料使用。
埃洛石為1∶1二八面體結(jié)構(gòu)的高嶺土系礦物,最普遍的類(lèi)型是管狀結(jié)構(gòu),埃洛石具有形態(tài)完整的中空管狀結(jié)構(gòu),無(wú)套管現(xiàn)象,不封閉,是一種天然的多孔納米材料。研究表明，天然礦物以其特殊的形貌結(jié)構(gòu)和高Li+傳導(dǎo)率使其能成為構(gòu)筑復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的新型材料,能有效抑制鋰離子電池中鋰枝晶的不可控生長(zhǎng),同時(shí)天然礦物表面豐富的含氧官能團(tuán)可與聚合物之間形成化合鍵、氫鍵等各種化學(xué)作用,有效提升固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度。
（11）鈣基材料
在眾多相變儲(chǔ)能材料體系中，CaO/CaCO3被認(rèn)為是具有前景的儲(chǔ)能技術(shù)之一。儲(chǔ)能密度高達(dá)3.2GJ/m3，放熱溫度高達(dá)850℃以上，能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電和可持續(xù)儲(chǔ)能。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所傳熱傳質(zhì)研究中心科研人員發(fā)現(xiàn)，摻雜稀土金屬元素的鈣基熱化學(xué)儲(chǔ)能材料表現(xiàn)出極低的過(guò)渡態(tài)反應(yīng)能壘。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了摻雜稀土金屬元素可以將氫氧化鈣的起始反應(yīng)溫度降低50℃，提高了材料反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能。較低的脫水反應(yīng)溫度不僅可以擴(kuò)大材料的適用范圍，而且可以顯著緩解材料的團(tuán)聚和燒結(jié)問(wèn)題，進(jìn)而提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性，向大規(guī)模應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。
其他
在新能源領(lǐng)域，高純石英制成晶體硅材料用于生產(chǎn)太陽(yáng)能電池。葉蠟石是重要的新能源（風(fēng)電、風(fēng)機(jī)葉片）材料和新型功能材料。硼用作壓水堆中子吸收劑，碳化硼用作高溫氣冷堆、快中子增殖反應(yīng)堆中子吸收體。
結(jié)語(yǔ)
天然非金屬礦物種類(lèi)多、儲(chǔ)量大、綠色環(huán)保，是新能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要支撐。在超細(xì)粉體加工技術(shù)的加持下，天然非金屬礦物的應(yīng)用領(lǐng)域和附加值得到大幅度提升，也成就了其在新能源等高端領(lǐng)域的應(yīng)用，但是目前產(chǎn)品種類(lèi)和應(yīng)用技術(shù)仍有待進(jìn)步，尤其是精細(xì)化工理念，即超細(xì)、高純、功能化方面仍需加強(qiáng)。
參考來(lái)源：
白李琦，等：礦物復(fù)合材料及其能量存儲(chǔ)與能源催化應(yīng)用，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）
陳天星，等：新能源礦物材料研究進(jìn)展，西安建筑科技大學(xué)
陳軍元，等：石墨、螢石等戰(zhàn)略非金屬礦產(chǎn)發(fā)展趨勢(shì)研究，中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心
楊芳，等：礦物材料在超級(jí)電容器電極中應(yīng)用的研究進(jìn)展，遼寧工程技術(shù)大學(xué)
粉體網(wǎng)、中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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