仿生功能材料授課教師2第七章能源仿生材料第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)

能源的基本概念及種類

油田仿生材料新能源仿生材料第四節(jié)儲能仿生材料仿生功能材料第五節(jié)節(jié)能仿生建筑材料第一節(jié)能源的基本概念及種類導(dǎo)語第七章能源仿生材料

進入21世紀(jì)，仿生學(xué)的思維和方法迅速滲透到各個學(xué)科和行業(yè)，其中包括石油工程。例如，油田仿生材料正是該領(lǐng)域的一場創(chuàng)新革命。

油田仿生材料是石油工程領(lǐng)域的一場創(chuàng)新革命，借鑒自然界生物的特征，為解決行業(yè)難題提供了全新且獨特的思路。

人類社會的進步，也是由能源驅(qū)動的一個發(fā)展過程。因此，如何開采能源，以及高效利用能源，體現(xiàn)著社會的文明程度。一、傳統(tǒng)化石能源（一）傳統(tǒng)化石能源的種類第一節(jié)能源的基本概念及種類第七章能源仿生材料

煤是一種主要由碳、氫、氧和硫等元素組成的固體化石燃料。根據(jù)其成分和發(fā)熱量，煤可分為無煙煤、煙煤、褐煤等幾種類型。預(yù)計在未來幾十年仍將是全球能源的重要組成部分。煤的主要用途包括發(fā)電、工業(yè)用熱和冶金等。

石油是由古代海洋生物經(jīng)過長期埋藏和熱壓形成的液態(tài)化石燃料，主要成分是烴類化合物。石油主要集中在中東地區(qū)、北美和俄羅斯。石油的主要用途包括燃料、化工原料和潤滑劑等。

天然氣是一種主要由甲烷（CH?）組成的氣態(tài)化石燃料，通常與石油一起發(fā)現(xiàn)。天然氣主要分布在俄羅斯、美國和中東地區(qū)。一、傳統(tǒng)化石能源（二）傳統(tǒng)化石能源的優(yōu)勢第一節(jié)能源的基本概念及種類第七章能源仿生材料

傳統(tǒng)化石能源在全球經(jīng)濟中具有顯著優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在高能量密度、成熟的基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟性上。首先，化石燃料具有極高的能量密度，例如，1噸煤可以釋放約2500千瓦時的能量，而1桶原油能釋放約1700千瓦時的能量，這使其在短時間內(nèi)提供大量能量。其次，全球已有完善的化石能源開采、運輸和消費基礎(chǔ)設(shè)施，這包括超過20萬公里的油氣管道網(wǎng)絡(luò)和數(shù)千座煉油廠，確保了穩(wěn)定的能源供應(yīng)。此外，經(jīng)濟性也是化石能源的一大優(yōu)勢，經(jīng)濟性使得化石能源在許多國家的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是在發(fā)展中國家，因其較低的價格和可靠性，仍是重要的能源來源。然而，隨著可再生能源技術(shù)的進步和政策的推動，化石能源的相對優(yōu)勢正在逐漸減弱。

一、傳統(tǒng)化石能源（三）傳統(tǒng)化石能源對環(huán)境的影響第一節(jié)能源的基本概念及種類第七章能源仿生材料

傳統(tǒng)化石能源的環(huán)境影響主要體現(xiàn)在溫室氣體排放、空氣污染和水資源污染上。燃燒化石燃料是全球二氧化碳排放的主要來源之一。這種排放顯著加劇了全球變暖，導(dǎo)致氣候變化引發(fā)的極端天氣事件頻繁發(fā)生。此外，化石燃料的燃燒還釋放出二氧化硫、氮氧化物和顆粒物等污染物，造成嚴(yán)重的空氣質(zhì)量問題?？諝馕廴久磕陮?dǎo)致約700萬人過早死亡，其中很多是由于呼吸道和心血管疾病。因此，盡管傳統(tǒng)化石能源在經(jīng)濟發(fā)展中起到重要作用，其環(huán)境影響已引發(fā)廣泛關(guān)注，推動各國向可再生能源轉(zhuǎn)型，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。一、傳統(tǒng)化石能源（四）傳統(tǒng)化石能源的資源有限性第一節(jié)能源的基本概念及種類第七章能源仿生材料

傳統(tǒng)化石能源的資源有限性是一個日益嚴(yán)峻的問題，影響著全球能源安全和可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，全球已探明的煤炭儲量約為1.07萬億噸，石油儲量約為1.7萬億桶，而天然氣儲量則為約7000萬億立方米。然而，這些資源并非無窮無盡，隨著開采的持續(xù)進行，化石能源的可采儲量逐漸減少。

此外，化石能源的開采和使用效率也在下降。隨著易采儲量的減少，越來越多的開發(fā)將轉(zhuǎn)向難度更大的資源，例如深海石油、頁巖氣等，這不僅增加了開采成本，也帶來了更多環(huán)境風(fēng)險。例如，水力壓裂技術(shù)雖然能夠開采頁巖氣，但其對水資源的消耗和潛在的水污染問題使得可持續(xù)性受到質(zhì)疑。二、新能源（一）太陽能第一節(jié)能源的基本概念及種類第七章能源仿生材料

太陽能是指來自太陽的輻射能，是一種清潔、可再生的能源形式，主要通過光伏技術(shù)和太陽能熱能系統(tǒng)進行利用。根據(jù)國際可再生能源署（IRENA）的數(shù)據(jù)，全球每年接收到的太陽能量約為173000萬億千瓦時，足以滿足全人類一年的能源需求的10000倍。太陽能的優(yōu)勢在于其環(huán)境友好性、資源豐富性和技術(shù)成熟性。它的使用幾乎不產(chǎn)生溫室氣體排放，有助于減緩全球變暖；同時，太陽能資源在全球范圍內(nèi)廣泛分布，尤其在陽光充足的地區(qū)，應(yīng)用潛力巨大。

太陽能作為一種可再生能源，正迅速發(fā)展并在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來越重要的位置，助力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。二、新能源（二）風(fēng)能第一節(jié)能源的基本概念及種類第七章能源仿生材料

風(fēng)能是指通過風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能的可再生能源形式，主要利用風(fēng)力渦輪機進行發(fā)電。風(fēng)能的優(yōu)勢在于其環(huán)境友好性、經(jīng)濟性和資源豐富性。首先，風(fēng)能幾乎不產(chǎn)生溫室氣體排放，有助于減少全球變暖和空氣污染。此外，風(fēng)能資源廣泛分布，尤其是在沿海地區(qū)和開闊平原，適合大規(guī)模開發(fā)。全球每年可利用的風(fēng)能資源量達到了數(shù)萬億千瓦時，顯示出了巨大的開發(fā)潛力。近年來，風(fēng)能的發(fā)展迅速，成為全球增長最快的可再生能源之一。在經(jīng)濟性方面，風(fēng)能的發(fā)電成本顯著下降，已經(jīng)低于許多傳統(tǒng)化石燃料的發(fā)電成本。這種趨勢的主要驅(qū)動因素包括技術(shù)進步、規(guī)模效應(yīng)和政策支持。例如，風(fēng)力渦輪機的設(shè)計不斷優(yōu)化，渦輪機的功率越來越大，單臺渦輪機的發(fā)電能力已達到10兆瓦以上，使得風(fēng)電項目的經(jīng)濟效益大幅提高。

風(fēng)能作為一種清潔、可再生的能源形式，正迅速發(fā)展并在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來越重要的位置。隨著技術(shù)的進步、成本的降低以及政策的支持，風(fēng)能將在未來的能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用，助力實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。風(fēng)能將在全球范圍內(nèi)繼續(xù)增長，推動經(jīng)濟的綠色轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護，為應(yīng)對氣候變化做出積極貢獻。二、新能源（三）生物質(zhì)能第一節(jié)能源的基本概念及種類第七章能源仿生材料

生物質(zhì)能是指通過有機物（如植物、動物和廢棄物）轉(zhuǎn)化為能量的過程，作為一種可再生能源，生物質(zhì)能在全球能源供應(yīng)中占據(jù)重要地位。生物質(zhì)能成為可再生能源中僅次于水能的重要來源。生物質(zhì)能的利用主要有三種方式：直接燃燒、發(fā)酵和氣化。直接燃燒是通過燃燒生物質(zhì)產(chǎn)生熱能；發(fā)酵技術(shù)則用于將有機物轉(zhuǎn)化為生物燃料，如生物乙醇和生物柴油；氣化技術(shù)則通過高溫將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成氣，進一步轉(zhuǎn)化為電能或燃料。生物質(zhì)能的優(yōu)勢在于其資源的廣泛性和可持續(xù)性。農(nóng)作物的殘余、林業(yè)廢棄物和城市垃圾等都可以作為生物質(zhì)能的原料，這不僅減少了廢物的處理成本，還能實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。與化石燃料相比，生物質(zhì)能在燃燒過程中釋放的二氧化碳可以被植物在生長過程中吸收，從而實現(xiàn)碳中和，有助于減緩氣候變化。然而，生物質(zhì)能的開發(fā)與利用也面臨一些挑戰(zhàn)。三、儲能方式第一節(jié)能源的基本概念及種類第七章能源仿生材料

機械儲能主要有抽水蓄能和壓縮空氣儲能。抽水蓄能利用水的勢能進行儲能。抽水蓄能是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的儲能技術(shù)，具有儲能容量大、技術(shù)成熟、運行可靠等優(yōu)點，但也存在建設(shè)周期長、選址受限等缺點。壓縮空氣儲能是利用空氣的可壓縮性進行儲能。壓縮空氣儲能具有儲能容量大、儲能時間長、運行成本低等優(yōu)點，但也存在需要大型儲氣洞穴、能量轉(zhuǎn)換效率低等缺點。

電氣儲能主要有超級電容器、超導(dǎo)儲能。超級電容器是利用電極和電解質(zhì)界面的雙電層電容或電極表面的贗電容進行儲能。超級電容器具有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，但也存在能量密度低、自放電率高等缺點。超導(dǎo)儲能是利用超導(dǎo)體的零電阻特性進行儲能。超導(dǎo)儲能具有響應(yīng)速度快、儲能效率高、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，但也存在需要極低的溫度條件、建設(shè)成本高等缺點。

目前常見的儲能方式包括機械儲能、電氣儲能、化學(xué)儲能以及熱儲能。三、儲能方式第一節(jié)能源的基本概念及種類第七章能源仿生材料

化學(xué)儲能主要有電池儲能和氫儲能。電池儲能是利用化學(xué)反應(yīng)進行儲能。常見的電池儲能技術(shù)包括鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等。電池儲能具有能量密度高、安裝靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但也存在壽命有限、成本較高、安全性等問題。氫儲能是利用氫氣的化學(xué)能進行儲能。氫儲能具有儲能容量大、儲能時間長、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，但也存在建設(shè)成本高、技術(shù)不成熟等缺點。

熱儲能主要有顯熱儲能和潛熱儲能。顯熱儲能利用材料的比熱容進行儲能。常見的顯熱儲能材料包括水、巖石、土壤等。顯熱儲能具有技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點，但也存在儲能密度低、溫度變化范圍小等缺點。潛熱儲能利用材料的相變潛熱進行儲能。常見的潛熱儲能材料包括石蠟、脂肪酸、熔融鹽等。潛熱儲能具有儲能密度高、溫度變化范圍小等優(yōu)點，但也存在相變材料的選擇和穩(wěn)定性等問題。一、石油開采技術(shù)中的仿生原型（一）非光滑生物表面原型第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料

生物的非光滑體表可以分為四種，凸包形、凹坑形、鱗片形和波紋形。生物非光滑表面耐磨表面的形成機理與它們與土壤接觸的方式密切相關(guān)。

凸包形表面多會出現(xiàn)在動物與土壤摩擦較多的部位。比如大蜣螂的頭部和前足就分布有凸包性表面，蜣螂的前足進化成可以向后扒土的挖掘足，頭部進化成挖掘機形狀的推土板，這些與土壤較多接觸、摩擦的部位就分布有較多的凸包形表面（如圖1）。與蜣螂類似，馬陸鉆土?xí)r為縱向活動，其與土壤接觸較多、經(jīng)常發(fā)生擠壓的兩側(cè)面也分布有較多的凸包性表面。圖1蜣螂及其頭部耦合表面結(jié)構(gòu)圖一、石油開采技術(shù)中的仿生原型（一）非光滑生物表面原型第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料凹坑形表面

凹坑型表面多會出現(xiàn)在與松散、內(nèi)聚性差的土壤有接觸的部位。蜣螂在挖土、推土?xí)r，前足與頭部挖土板與土壤接觸較多，壓力較大，而蜣螂胸節(jié)部位所受土壤壓力小。挖土?xí)r，蜣螂頭部和胸節(jié)背板上分布有凹坑型表面（圖2），有部分土壤掉落在蜣螂的頭部或胸節(jié)上時，具有凹坑的表面能夠有效減少土壤滑落的阻力，土壤會通過其頭部、胸節(jié)背板的表面滑落到地面上。圖2步甲胸節(jié)背板凹坑。一、石油開采技術(shù)中的仿生原型（一）非光滑生物表面原型第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料波紋形表面

波紋型表面有助于減少動物腹部與土壤的接觸面積，減少與土壤的摩擦。步甲的腹部表面即為階梯型波紋表面（圖3），波紋表面的形態(tài)順著步甲前進方向曲率變化小，有助于減小阻力。相對于動物而言，腹部的土壤一般呈完整土塊，又有爪在地面上的支撐，波紋型的腹部表面可以有效減少體表與土壤的接觸面積。圖3步甲腹部波紋形。一、石油開采技術(shù)中的仿生原型（一）非光滑生物表面原型第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料鱗片形表面

穿山甲等動物在體表呈現(xiàn)出縱向較為規(guī)則波紋結(jié)構(gòu)的宏觀鱗片，這些鱗片形結(jié)構(gòu)降低阻力、減少土壤黏附的機理與蜣螂頭部凸包形表面降阻原理相同。昆蟲體表上有疏水性的上表皮，通過測量發(fā)現(xiàn)，具有微觀鱗片非光滑表面的昆蟲體表如蜣螂體表，蠼螋體表和步甲鞘翅等部位都具有憎水性。這種鱗片型微觀非光滑體表使這些昆蟲體表的憎水性進一步增加，從而使它們體表對土壤的黏附進一步降低。這說明宏觀光滑下的微光非光滑表面，對減少土壤黏附有著重要貢獻。圖4穿山甲鱗片。一、石油開采技術(shù)中的仿生原型（二）可控黏附材料的仿生原型第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料

壁虎剛毛根部具有三角形梯度結(jié)構(gòu)，且此結(jié)構(gòu)具有隨速度分布的規(guī)律，能夠產(chǎn)生強黏附、易脫附與自清潔性的特點。海洋貽貝具有強力黏附性能的足絲。貽貝足絲在水下具有強韌的原位黏附性能，其作用機理為貽貝足絲上夾雜著次微納米顆粒的連續(xù)基質(zhì)復(fù)合角質(zhì)層結(jié)構(gòu)。貽貝足絲的結(jié)構(gòu)作用機理，揭示了貽貝足絲左旋多巴胺蛋白與鐵離子的結(jié)合機理以及鐵離子在足絲復(fù)合結(jié)構(gòu)層中的梯度分布規(guī)律。壁虎剛毛和海洋貽貝，都為開發(fā)可控黏附覆膜支撐劑和固壁劑提供了靈感。二、仿生石油鉆頭第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料目前，在油氣井的勘探開發(fā)中，牙輪、聚晶金剛石復(fù)合片、表鑲金剛石和孕鑲金剛石等鉆頭是最經(jīng)常被使用的鉆頭。但當(dāng)開發(fā)深層油氣資源，突破更為堅硬和耐磨的深層巖層時，鉆頭壽命大為縮短，鉆頭鉆進效率低下，鉆井成本急需降低。

土壤動物在成長過程中，體表接觸土壤部位受到的土壤壓力、摩擦是隨機且不規(guī)則的，其體表生成的非光滑特征，即接觸土壤部位隨機或規(guī)律分布的一定形狀的幾何結(jié)果，在其運動時有利于減小正壓力對身體的作用。同時，非光滑表面可以將土壤對動物體表整體的摩擦分散開，應(yīng)用到機械部位上，非光滑表面能夠使磨料對表面的犁削變?yōu)闈L動，從而大大減少對機械表面的磨損。如果將這種結(jié)構(gòu)與機理應(yīng)用到鉆頭上，將提高鉆頭的耐磨性并延長鉆頭壽命。仿生石油鉆頭是從生物體特征上尋找設(shè)計靈感而研發(fā)出的一種用于開采地層獲取石油的鉆頭。這是一種運用了仿生學(xué)理念，將仿生非光滑理論與自再生理念應(yīng)用起來的鉆頭。三、仿生可控黏附壓裂材料第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料

在油田中，特別是在低滲透油田的勘探開發(fā)和老井改造中，水力壓裂技術(shù)已成為增產(chǎn)和提高采收率的主要手段，而石油壓裂支撐劑是石油壓裂技術(shù)中極其重要的因素。目前，壓裂過程中常用的支撐劑主要有石英砂、陶粒和覆膜支撐劑三大類。

基于微顆粒隨速度變化的機理，研究人員成功設(shè)計制備了仿生表面并實現(xiàn)了主觀定向操控和運移微顆粒，這一成果為支撐劑在水力壓裂井下的運移提供了理論依據(jù)。此外，根據(jù)貽貝足絲黏附性機理，成功設(shè)計制備了仿貽貝自懸浮可控黏附覆膜支撐劑，設(shè)計應(yīng)用見圖5，該研究為壓裂支撐劑水下原位黏附提供了全新的設(shè)計方案。覆膜支撐劑引入仿貽貝黏附因子，制成仿生黏附支撐劑，添加惰性表面提高支撐劑表面惰性，避免支撐劑表面發(fā)生反應(yīng)，保證支撐劑運移到壓裂裂隙中，實現(xiàn)支撐劑自懸浮與裂隙靶向黏附，提高壓裂裂隙導(dǎo)流能力。圖5仿貽貝自懸浮可控黏附覆膜支撐劑設(shè)計思路及應(yīng)用。四、仿生鉆井液（一）井眼的特點第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料

鉆井完井后，會存在井深、井眼失穩(wěn)等問題，可能會導(dǎo)致井眼坍塌、井眼收縮、鉆桿卡死等后果。井眼的穩(wěn)定性一直是一個令全世界鉆井工程師困擾的難題。

為了完全避免因井眼不穩(wěn)定而造成的井漏、固井質(zhì)量差、井眼塌陷等事故，研究人員研究了一種可以提高井眼巖石的機械強度的新方法，該方法稱為井眼強固化法。通過該方法，在鉆孔過程中井壁會得到實質(zhì)性增強。然而，由于頁巖地層中的井眼巖石是親水性的，因此很難找到合適的可以黏附在井眼巖石上并在含水環(huán)境下通過使其強化的鉆井液添加劑，井眼加固技術(shù)仍處于起步階段。

仿生技術(shù)可以應(yīng)用在鉆井液領(lǐng)域中，在仿生領(lǐng)域的基礎(chǔ)上通過模擬海洋貽貝分泌的黏附蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，開發(fā)一種新的鉆井液，以適配井下含水環(huán)境中對井壁的黏附效果，從而實現(xiàn)強化井眼，加固井下巖石的效果。海洋貽貝的足絲在水下具有強韌的原位黏附性能，貽貝分泌的足絲蛋白在水性環(huán)境中黏附性能極強，幾乎可以與各種有機或無機基地相結(jié)合。四、仿生鉆井液（二）仿生固壁劑的作用機理第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料

通過接枝共聚反應(yīng)，使長鏈聚合物與獨特的仿貽貝黏附基團接枝，使得長鏈聚合物在水性環(huán)境中擁有和貽貝足絲相似的黏附特性，這種接枝后的聚合物成為仿生固壁劑。

固化劑與巖石接觸后，會自發(fā)地發(fā)生固化，從而在巖石表面形成一層致密的殼層，這種殼層具有黏附性。殼層將井眼巖石覆蓋，通過黏附基體和聚合物的內(nèi)聚作用，牢固地“抓住”巖石，從而達到增強巖石的作用。當(dāng)加固后的井眼與鉆井液中的水接觸后，固化劑形成的殼層會減弱甚至完全抵消自由水在井眼上的水合溶脹力，因此這一殼層可以較大地保持井眼的穩(wěn)定性。由于這種仿生固壁劑只能在黏土的催化下固化形成殼層，因此，對井下遠離井眼位置的鉆井液并無影響。四、仿生鉆井液（三）仿生頁巖抑制劑的作用機理第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料

仿生固壁劑形成殼層對井眼有很好的穩(wěn)定作用，但固化殼層的形成需要一定的時間，在形成殼層之前，井眼水合膨脹，頁巖仍有失穩(wěn)可能。因此設(shè)計合成了一種用于仿生殼層形成前保持井眼穩(wěn)定性的添加劑，即頁巖抑制劑。

頁巖抑制劑中同樣添加了仿黏附支撐劑基團，具有海洋貽貝的黏附特性，對頁巖具有一定的抑制能力，可以對井眼巖石進行加固。加入仿生頁巖抑制劑后，頁巖抑制劑分子分散吸附到蒙脫石上，隨著抑制劑分子吸附在蒙脫石上數(shù)量的增加，蒙脫土層之間的距離不斷增長。當(dāng)蒙脫石層間距達到最大時，抑制劑溶液的濃度為1.0%，此時蒙脫土夾層間的抑制劑分子達到飽和。抑制劑分子在土層間的吸附使得蒙脫石發(fā)生溶脹，但蒙脫石的溶脹度遠遠低于自由水所導(dǎo)致的蒙脫石腫脹度。與此同時，抑制劑分子在土層間自聚合形成具有雙層石墨烯結(jié)構(gòu)的聚合物，相鄰的土層通過聚合物之間形成的氫鍵固定在一起，從而在微觀層面上對井眼實現(xiàn)加固。五、仿生油田海底管道防護材料第二節(jié)油田仿生材料第七章能源仿生材料

仿生草技術(shù)是通過特殊的海底錨固裝置或安裝基墊的方式，將仿生草固定在海底管線附近，從而保護、防護海底管線附近的海床。被錨固的仿生草由高分子材料加工而成，能夠耐海水浸泡、抗海浪沖刷的特點。如圖6所示，如同風(fēng)經(jīng)過樹林會降低風(fēng)速一樣，當(dāng)海水從仿生草流過時，由于仿生草的黏滯阻尼作用影響，海水流速降低，海水沖刷能力減弱，從而防護了海底管線的安全；另一方面，海水流速在仿生草附近降低，導(dǎo)致流動海水所攜帶的物質(zhì)在仿生草附近不斷沉積下來，從而加高了管線附近的海床高度，直至沉積物將管線覆蓋。這兩方面原因一同發(fā)揮作用，便達到了仿生草技術(shù)防護海床沖刷的作用。圖6仿生草防護作用機理。一、仿生燃料電池（一）

燃料電池基礎(chǔ)知識第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，提供了一種高效、清潔的能量轉(zhuǎn)換機制。燃料電池由于其高能效、低污染和低噪音，被廣泛認(rèn)為是21世紀(jì)移動、固定和便攜式電源的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。與傳統(tǒng)電池材料相比，氫氣和碳氫化合物燃料含有大量化學(xué)能，因此目前已被廣泛開發(fā)用于多種能源應(yīng)用。

燃料電池技術(shù)有望替代化石燃料，為無法接入公共電網(wǎng)或需要巨額布線和輸電費用的農(nóng)村地區(qū)提供能源。此外，不間斷電源（UPS）、發(fā)電站和分布式系統(tǒng)等需要基本安全電能的應(yīng)用也可采用燃料電池作為能源。另一方面，此外，燃料電池與可再生能源和現(xiàn)代能源載體（即氫）兼容，有利于可持續(xù)發(fā)展和能源安全。因此，它們被視為未來的能量轉(zhuǎn)換裝置。一、仿生燃料電池（二）燃料電池基本結(jié)構(gòu)第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能和熱能，電化學(xué)反應(yīng)實際上是反向電解反應(yīng)。它發(fā)生在氧氣和氫氣之間，形成水。燃料電池的設(shè)計多種多樣，但它們的基本工作原理都是相同的。各種燃料電池設(shè)計的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的化學(xué)特性。公式（1）顯示了電化學(xué)反應(yīng)，圖7描述了燃料電池的工作原理。2H2(g)+O2(g)→2H20+energy（1）圖7燃料電池的結(jié)構(gòu)和工作原理圖。一、仿生燃料電池（二）燃料電池基本結(jié)構(gòu)第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

燃料電池主要由四個部分組成：陽極、陰極、電解質(zhì)和外電路。在負極，氫被氧化成質(zhì)子和電子，而在正極，氧被還原并與質(zhì)子反應(yīng)生成水。氧氣和氫氣之間的發(fā)電反應(yīng)在不同類型的燃料電池中是不同的。在酸性電解質(zhì)燃料電池中，電子和質(zhì)子（H+）從負極電極電離的氫氣中釋放出來。生成的電子通過電路到正極，而質(zhì)子則通過電解質(zhì)輸送。這種交換釋放出電能。與此同時，在正極一側(cè)，來自電極的電子和來自電解質(zhì)的質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)，形成水。負極和正極發(fā)生的反應(yīng)分別如反應(yīng)方程（2）和（3）所示。負極：2H2→4H++4e-（2）正極：O2+4e-+4H+→2H2O（3）酸性電解質(zhì)和某些含有游離H+離子的聚合物通常被稱為“質(zhì)子交換膜”。由于它們只允許H+離子通過，因此能更適當(dāng)、更有效地發(fā)揮質(zhì)子輸送功能。如果通過電解質(zhì)輸送電子，則會損失電流。一、仿生燃料電池（三）燃料電池分類第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

燃料電池根據(jù)其工作溫度、效率、應(yīng)用和成本而有所不同。根據(jù)燃料和電解質(zhì)的選擇，它們可分為6大類：堿性燃料電池，磷酸燃料電池，固體氧化物燃料電池（SOFC），熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），直接甲醇燃料電池（DMFC）。一、仿生燃料電池（四）質(zhì)子交換膜燃料電池的仿生構(gòu)建第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

仿生電池試圖通過模仿自然界中高效的催化過程和能量轉(zhuǎn)化路徑，來提高能源轉(zhuǎn)換的效率和選擇性。由于嚴(yán)重依賴化石能源，能源枯竭和環(huán)境污染日益成為當(dāng)今社會的主要能源挑戰(zhàn)。氫氣是一種清潔能源，可通過多種可持續(xù)方式制備，在利用過程中不會產(chǎn)生排放或超低排放，可在燃料電池中通過電化學(xué)反應(yīng)直接用于發(fā)電。高分子電解質(zhì)膜燃料電池具有高效率、低噪音和低工作溫度等諸多優(yōu)點，是為電動汽車提供動力的最佳解決方案之一。

根據(jù)銀杏葉葉脈結(jié)構(gòu)在雙極板上設(shè)計仿生結(jié)構(gòu)流場。分別采用該仿生流場、平行流場及五蛇流場的質(zhì)子交換膜燃料電池在峰值功率密度、內(nèi)部質(zhì)量傳輸及電流密度分布等方面的差異，發(fā)現(xiàn)采用仿生流場的電池峰值功率密度比平行流場高28.85%，但比五蛇流場低4.36%。由于仿生流場具有更高的氣體壓力，其內(nèi)部反應(yīng)物分布及電流密度分布比平行流場更均勻。一、仿生燃料電池（四）質(zhì)子交換膜燃料電池的仿生構(gòu)建第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

基于銀杏葉脈結(jié)構(gòu)設(shè)計的仿生流場（以下簡稱為仿生流場）以及傳統(tǒng)的五蛇流場、平行流場示意圖如圖8所示。對于平行流場（圖8a），氣體流速只在氣體出入口處最高，這可能是因為內(nèi)部歧管結(jié)構(gòu)引起的局部損失較高，進而導(dǎo)致在各歧管中氣體流速都不高。對于五蛇流場（圖8b），其內(nèi)部氣體流速較高。盡管其內(nèi)部同樣有著歧管結(jié)構(gòu)，但氣體在入口處便已分配至各“蛇”中，在單個“蛇”中相當(dāng)于沿著單蛇流道進行運輸，沿程損失占主要部分而局部損失很小，因此動量損失較小而流速較高。對于仿生流場（圖8c），其內(nèi)部氣體流速分布情況與平行流場類似，僅在與進出口直接相通的流道中流速較高，而在其余流道中均處于較低水平。這同樣是因為內(nèi)部各種歧管增大了局部損失。圖8不同流場電池的氣體流速云圖。(a)平行流場；(b)五蛇流場；(c)仿生流場。一、仿生燃料電池（四）質(zhì)子交換膜燃料電池的仿生構(gòu)建第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

基于鸚鵡螺內(nèi)部結(jié)構(gòu)的仿生流道（圖9），為多物理場數(shù)值模擬建立了三維（3D）單相等溫CFD模型。進氣口位于通道的中心，反應(yīng)物從中心的流道通過拱形流道到達周圍的環(huán)形流道。在這項研究中，研究了傳統(tǒng)的蛇形、蜂窩狀和鸚鵡螺仿生流道。鸚鵡螺仿生流道被證明具有更均勻的反應(yīng)物、更好的除水效果、更低的濃差極化損失、與其他兩個流道相比，功率更大。圖9帶有鸚鵡螺仿生通道的質(zhì)子交換膜燃料電池模型示意圖。二、太陽能電池的仿生（一）

太陽能電池的基本概念第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

太陽能電池，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，它只要被滿足一定照度條件的光照度，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。在物理學(xué)上稱為太陽能光伏，簡稱光伏。

早期的光伏太陽能電池是將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的薄硅片。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。應(yīng)用于光伏太陽能電池的各類材料主要包括硅（單晶硅、多晶硅、非晶硅）、碲化鎘、銅銦鎵和銅銦鎵硒。根據(jù)這些材料，光伏太陽能電池可分為以下幾類。圖10負載下的半導(dǎo)體PN結(jié)太陽能電池。圖11各類太陽能電池。二、太陽能電池的仿生（二）

仿生海洋微生物生態(tài)系統(tǒng)的太陽能電池第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

通過模擬海洋微生物生態(tài)系統(tǒng)的基本生態(tài)結(jié)構(gòu)，開發(fā)的新一代生物太陽能電池，同時克服自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中大時空尺度導(dǎo)致的電子傳遞效率低的問題。為此，需要將巨大而復(fù)雜的海洋電池壓縮到一個緊湊而簡單的電池結(jié)構(gòu)中。其次，還要對海洋微生物生態(tài)系統(tǒng)中復(fù)雜的微生物群落組成進行簡化，以保證能量的定向流動和定向轉(zhuǎn)化。研究人員設(shè)計了一個四菌合成微生物群落，由隸屬于三個生態(tài)位的特定微生物組成，包括藍藻（初級生產(chǎn)者）、大腸桿菌（初級分解者）﹑希瓦氏菌和地桿菌（最終消費者），如圖12所示。在該合成微生物群落中，藍藻負責(zé)吸收光能，固定二氧化碳生產(chǎn)蔗糖；大腸桿菌負責(zé)將蔗糖分解為乳酸；希瓦氏菌和地桿菌共同將乳酸完全氧化并將電子轉(zhuǎn)移給胞外電極產(chǎn)生電流。圖12海洋微生物生態(tài)系統(tǒng)與微型仿生海洋電池的結(jié)構(gòu)。二、太陽能電池的仿生（三）仿生脊椎的柔性太陽能電池第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料“脊椎”仿生的機理主要來自兩個方面，仿生定向結(jié)晶和仿生結(jié)構(gòu)（圖13a）。從結(jié)構(gòu)仿生學(xué)來看PEDOT:EVA層在脆性鈣鈦礦和ITO薄膜之間應(yīng)用，ITO薄膜作為椎體之間的軟骨，以提高電池的機械柔韌性PEDOT:EVA是如圖13b所示）。從仿生結(jié)晶的角度來看，PEDOT:EVA層精確控制高質(zhì)量柔性鈣鈦礦薄膜的成核位置和晶體取向生長（圖13c）。因此，在最佳合成條件下，通過彎月面涂層技術(shù)（圖13d）可以保證優(yōu)良的器件效率，同時PEDOT:EVA層有效吸收和釋放應(yīng)力，可以優(yōu)化柔性器件的抗彎性能。由于協(xié)同優(yōu)化，可以制備出高質(zhì)量、高重復(fù)性的大面積鈣鈦礦薄膜。圖13“脊椎”仿生。（a）仿生定向結(jié)晶和仿生結(jié)構(gòu)；（b）PEDOT:EVA鍵合實驗照片；（c）成核位置和晶體取向生長示意；（d）彎月面涂層技術(shù)；（e）成品展示照片。二、太陽能電池的仿生（四）仿生植物蒸騰結(jié)構(gòu)的太陽能電池第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料采用一種仿生物蒸騰結(jié)構(gòu)，由環(huán)保、低成本和廣泛可用的材料制成多代混合光伏葉片（PV-leaf），可實現(xiàn)有效的被動熱管理和多代發(fā)電，如圖14所示。該葉片具有以下特點：①仿生植物蒸騰結(jié)構(gòu)，具有特定的設(shè)計和材料選擇（竹纖維和疊層水凝膠細胞），無需水泵即可驅(qū)動水流從一個獨立的水箱被動地流向太陽能電池；②同時用水覆蓋電池的整個區(qū)域，并在集熱器內(nèi)高效蒸發(fā)水分，從而高效地同時捕獲清潔水蒸氣和熱量，并通過同一組件發(fā)電。此外，光伏葉片還能協(xié)同利用回收的熱量，在同一組件內(nèi)同時產(chǎn)生額外的熱能和淡水，從而將太陽能的整體利用效率從13.2%顯著提高到74.5%以上，并提供超過1.1L/h/m2的清潔水。圖14生物啟發(fā)光伏葉片內(nèi)的光伏電池和蒸騰結(jié)構(gòu)布置示意圖。（a）生物葉片結(jié)構(gòu)；（b）光伏電池仿生葉片結(jié)構(gòu)；（c）光伏電池仿生竹纖維結(jié)構(gòu)；（d）仿生光伏電池結(jié)構(gòu)和實物照片。三、風(fēng)力仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計（一）風(fēng)力發(fā)電機的組成第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

風(fēng)電機組是能量傳遞與轉(zhuǎn)化的載體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且各部件之間耦合性較強，風(fēng)機葉片、翼型設(shè)計、制造和應(yīng)用等方面都會對風(fēng)電機組的效率產(chǎn)生較大影響。1）風(fēng)輪結(jié)構(gòu)

風(fēng)力機之所以能夠?qū)L(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，所依賴的關(guān)鍵部件就是葉片，葉片的氣動性越好則風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的效率越高，反之則越低。按照葉片轉(zhuǎn)軸所處的空間位置，風(fēng)機可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流方向。2）傳動系統(tǒng)

風(fēng)機傳動系統(tǒng)的差異化主要取決于風(fēng)力發(fā)電機自身特性，同步機轉(zhuǎn)速低，同等發(fā)電功率下可直接與風(fēng)輪機相連，而異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速高，需要通過齒輪箱進行升速，二者各有特點，通過技術(shù)手段和合理的技術(shù)路線，二者對機組能效的影響差異不大。三、風(fēng)力仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計（一）風(fēng)力發(fā)電機的組成第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料3）塔架形式

塔架是風(fēng)電機組的主要承載部件，需要有足夠的靜、動強度才能承受作用在葉輪和塔架上的各種力及葉輪轉(zhuǎn)動引起的振動載荷。風(fēng)力機塔架結(jié)構(gòu)形式可分為（錐）筒型塔架以及格構(gòu)（桁架）式塔架，筒型塔架由于結(jié)構(gòu)性能好、人工維修方便安全、外形美觀，是目前的主流結(jié)構(gòu)，格構(gòu)式塔架在風(fēng)力機大型化趨勢下，其成本低、便于運輸?shù)膬?yōu)點表現(xiàn)更為突出。（4）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)及其對機組能效影響主要體現(xiàn)在控制策略對最大功率跟蹤、無功、有功控制和故障穿越能力等幾個方面，當(dāng)電機運行至新的穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)想要得到的數(shù)值對電機的發(fā)電功率或者電磁轉(zhuǎn)矩進行調(diào)整。此外，考慮機組運行特性，控制系統(tǒng)作用首要體現(xiàn)在減小對電網(wǎng)的沖擊，當(dāng)發(fā)電機成功并入電網(wǎng)，發(fā)電機的有功功率將逐漸升高，升高速率為每秒鐘10%發(fā)電機的額定功率；其次，為了避免風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱、轉(zhuǎn)軸等部分受到機械行的不可逆的沖擊，從而保證了風(fēng)力發(fā)電機可以穩(wěn)定長期地運行。三、風(fēng)力仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計（二）風(fēng)力發(fā)電機仿生第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機提升旋轉(zhuǎn)速度，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。

因為風(fēng)力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染，所以風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮。新型蒲公英式風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計靈感源于蒲公英種子在風(fēng)中飛舞的形態(tài)和其旋轉(zhuǎn)下落的形式，如圖15所示。在效仿和改進蒲公英種子旋轉(zhuǎn)下落形式的同時，對風(fēng)機的形態(tài)和運動形式進行了創(chuàng)新，提出了新型蒲公英式風(fēng)力發(fā)電機的構(gòu)想。與傳統(tǒng)立式風(fēng)機相比，這種臥式設(shè)計可以有效地防止鳥類撞擊等事件的發(fā)生。另外，傳統(tǒng)風(fēng)機普遍存在拆卸、運輸困難的難題，而臥式設(shè)計主控箱距地面距離較小，方便維護和檢修，以及拆卸和運輸。圖15蒲公英式風(fēng)力發(fā)電機外形結(jié)構(gòu)。三、風(fēng)力仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計（二）風(fēng)力發(fā)電機仿生第三節(jié)

新能源仿生材料第七章能源仿生材料

受毛竹竹節(jié)規(guī)律性分布及其隔板支撐竹竿結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，在葉片內(nèi)部添加環(huán)形剪切腹板，建立帶有環(huán)形剪切腹板的葉片受力模型，如圖16所示。結(jié)果表明，葉片根部的抗彎性能顯著提高；當(dāng)內(nèi)外弦長之比設(shè)為0.4時，環(huán)形腹板葉片與實心腹板葉片的抗彎強度幾乎相同，且環(huán)形腹板的使用可以使葉片總質(zhì)量更輕。

以DTU10MW風(fēng)力機葉片腹板為研究對象，研究人員建立了一種非規(guī)則仿樹葉脈絡(luò)分布的腹板模型（圖17），采用有限元方法對仿生腹板與原始腹板進行靜力學(xué)、模態(tài)及諧響應(yīng)分析等力學(xué)性能比較，發(fā)現(xiàn)仿生腹板較原始腹板更具柔性，吸收更多結(jié)構(gòu)變形能，同時可節(jié)省二分之一材料。圖16帶有環(huán)形剪切腹板的葉片結(jié)構(gòu)。圖17仿樹葉脈絡(luò)腹板模型。一、輸氫管道的特征與仿生（一）輸氫管道的特征第四節(jié)

儲能仿生材料第七章能源仿生材料

從長遠來看，氫燃料將因為其優(yōu)勢和適應(yīng)性取代碳氫燃料。近年來，對電解水制氫法進行了大量研究用以生產(chǎn)清潔的氫氣，這意味著在生產(chǎn)過程中沒有有害氣體（CO和CO2）生成。而綠氫則是通過使用太陽能和風(fēng)能等可再生能源將水分離成氫氣和氧氣而產(chǎn)生的氫氣。這種氫燃料可用于重工業(yè)，如鋼鐵生產(chǎn)、混凝土和運輸業(yè)。全球?qū)G氫的需求正在強勁增長。此外，在需求不斷增加的背景下，氫儲存和運輸技術(shù)也需要更強大的研究和投資資源。這導(dǎo)致了對液態(tài)氫容器和氣態(tài)氫儲存新材料研究的大力投資?？傊瑲淠墚a(chǎn)業(yè)將引領(lǐng)各種支持產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，這些產(chǎn)業(yè)有助于提高經(jīng)濟，并為基于清潔可再生能源的未來社會提供了一個絕佳的機會。一、輸氫管道的特征與仿生（二）輸氫管道的仿生第四節(jié)

儲能仿生材料第七章能源仿生材料

近幾年來，相關(guān)研究者們受到竹纖維的啟發(fā)，對高分子結(jié)構(gòu)進行了更多的研究發(fā)現(xiàn)。Shi等研制出了應(yīng)用于供水的復(fù)合管道產(chǎn)品：竹纏繞復(fù)合管。這種產(chǎn)品可以作為聚氯乙烯管道的替代品。與聚氯乙烯管相比，竹纏繞復(fù)合管在性能、使用壽命、環(huán)境影響指數(shù)和可降解等特性上都優(yōu)于聚氯乙烯管，這種仿生管道是一種極好的環(huán)境友好型產(chǎn)品。根據(jù)此前關(guān)于竹子的研究可以發(fā)現(xiàn)，仿生竹管道在氫氣運輸上也有潛在的發(fā)展空間，竹子的高韌性、梯度強度、避免氫脆等特性都有利于氫氣的運輸。二、鋰電池仿生材料與設(shè)計（一）鋰離子電池概述第四節(jié)

儲能仿生材料第七章能源仿生材料

近年來，現(xiàn)代社會的快速發(fā)展呼喚先進的儲能技術(shù)，以滿足日益增長的能源供應(yīng)和發(fā)電需求。作為最有前途的儲能系統(tǒng)之一，二次電池備受關(guān)注。二次電池又稱充電電池，是指放電后可多次充電的電池。市場上的可充電電池主要有鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池、鋰離子電池。鋰離子電池（LIBs）具有高能量密度、高庫侖效率、低自放電特性，以及不同電極設(shè)計可獲得的一系列化學(xué)勢，因此被廣泛用作各種應(yīng)用領(lǐng)域的電源。特別是在過去十年中，為電動汽車（EV）、混合動力電動汽車（HEV）、航空航天應(yīng)用和自主電動設(shè)備（如混合太陽能電池）開發(fā)高充電容量/功率密度的下一代鋰離子電池的趨勢日益明顯。二、鋰電池仿生材料與設(shè)計（二）

鋰離子電池原理第四節(jié)

儲能仿生材料第七章能源仿生材料

鋰電池主要由正極、負極、電解液、隔膜、電池外殼等組成。充電時，鋰離子從正極材料中脫嵌，通過隔膜和電解液進入負極材料，放電過程相反。以石墨為負極材料、鈷酸鋰為正極材料的鋰離子電池為例，如圖18所示，其充電原理如下陰極反應(yīng)：LiCo02→Li1-xCo02+xLi+xe-

（7-4）陽極反應(yīng)：6C+xLi-+xe-→LixC6

（7-5）整體反應(yīng):LiCo02+6C→Li1-xCoO2+LixC6在充電過程中，Li從LiCoO2中脫嵌，釋放出一個電子，Co3+被氧化成Co4+。同時，Li+通過隔膜和電解液遷移到負極石墨表面，然后插入石墨結(jié)構(gòu)中，石墨結(jié)構(gòu)同時獲得一個電子，形成鋰-碳層間化合物L(fēng)ixC6，放電時過程相反，Li+從石墨結(jié)構(gòu)中脫節(jié)，插入正極LiCoO2中。圖18可充電鋰離子電池示意圖。二、鋰電池仿生材料與設(shè)計（三）鋰離子電池正、負極材料第四節(jié)

儲能仿生材料第七章能源仿生材料

鋰離子電池中正極材料占整個電池成本的40%以上，且當(dāng)前的技術(shù)條件下，整體電池的能量密度主要取決于正極材料，所以正極材料是鋰離子電池的核心開發(fā)、研究的材料，目前成熟應(yīng)用的正極材料包括鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰及錳酸鋰。其中鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰是當(dāng)前市場使用量較大的材料。鋰離子電池的負極材料主要包括石墨、氧化亞硅、硅材料等。石墨負極材料包括天然石墨和人造石墨。目前，鋰離子電池市場的石墨負極材料為第二代碳負極，其在碳負極中占比超過99%。在石墨負極材料中，人造石墨產(chǎn)品長期占據(jù)80%的市場份額，天然石墨占比不超過20%。二、鋰電池仿生材料與設(shè)計（五）鋰離子電池電解液第四節(jié)

儲能仿生材料第七章能源仿生材料

電解液是鋰離子電池中的“橋梁”，在正負極之間傳輸鋰離子，同時也起到?jīng)Q定性的作用，如保護電極表面、抑制鋰枝晶生長、提供離子傳輸通道等。其中，液態(tài)有機電解液因其優(yōu)越的離子傳輸性能和調(diào)節(jié)能力，已成為鋰離子電池中的主流電解液類型。

有機電解液中的微量水和氫氟酸對形成性能優(yōu)異的SEI膜有一定影響。然而，過高的水和酸含量不僅會導(dǎo)致LiPF6分解，還會破壞電極上的SEI膜。

當(dāng)鋰離子電池被誤用或濫用時，可能會導(dǎo)致過充電。過充電時，電池內(nèi)部會產(chǎn)生大量氣體，可能導(dǎo)致爆炸。但鋰離子動力電池的充放電電流大，散熱困難，在過充電時更容易引發(fā)安全問題。因此，有必要添加過充電保護添加劑，以提高電池本身的抗過充電能力。二、鋰電池仿生材料與設(shè)計（六）鋰離子電池隔膜第四節(jié)

儲能仿生材料第七章能源仿生材料

鋰離子電池隔膜占整個電池成本的15%-30%不等，僅次于正極材料。因此，隔膜技術(shù)的不斷革新也推動了整個鋰電池行業(yè)的不斷發(fā)展。

電池隔膜根據(jù)其成分和結(jié)構(gòu)可分為五大類：微孔膜、改性微孔膜、無紡布墊、復(fù)合膜和電解質(zhì)膜。微孔膜分離器的特點是孔徑在微米范圍內(nèi)。根據(jù)層數(shù)的不同，可分為單層微孔膜和多層微孔膜。改性微孔膜分離器是在傳統(tǒng)微孔膜的基礎(chǔ)上通過表面改性（如使用等離子體和輻照接枝法或涂覆不同的聚合物）而制成的膜。無紡氈分離器的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是用熔噴、濕法鋪設(shè)和電紡技術(shù)制備的纏結(jié)纖維黏合在一起的。由于纖維直徑較小，無紡氈分離器的孔隙率高于其他類型的分離器。復(fù)合膜分離器是通過在微孔膜或無紡布墊上涂覆或填充無機材料制備而成的。

每種隔膜類型都具有滿足所述要求的固有特征，包括厚度、孔隙率、熱性能、潤濕性、機械性能和化學(xué)性能。二、鋰電池仿生材料與設(shè)計（七）鋰離子電池的仿生構(gòu)建第四節(jié)

儲能仿生材料第七章能源仿生材料1）仿生樹根制備鋰離子電池

受固定土壤和抵御強風(fēng)的天然樹根的啟發(fā)，所制備的具有出色機械性能和電化學(xué)性能的生物啟發(fā)式結(jié)構(gòu)電池設(shè)計見圖19。在這種結(jié)構(gòu)中，聚合物黏合劑（“樹根”）首先滲入多孔電極（“土壤”），形成一個連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，然后通過熱壓將其層壓到陶瓷涂層隔板（“樹”）上。通過這種方法，隔板和電極之間的界面被夾層黏合劑網(wǎng)絡(luò)整合在一起，使整個電池類似于天然的樹根結(jié)構(gòu)。在一些實際應(yīng)用中，例如在無人機中，利用由此產(chǎn)生的樹根啟發(fā)電池作為電動翅膀，可以很好地保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，因為它具有穩(wěn)定的電力供應(yīng)和出色的機械性能。圖19受生物樹根啟發(fā)的全鋰離子電池界面設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖，以及具有界面黏附力的陽極-分離器-陰極組合的相應(yīng)光學(xué)圖像和由層疊電池作為機翼驅(qū)動的飛機模型演示。二、鋰電池仿生材料與設(shè)計（七）鋰離子電池的仿生構(gòu)建第四節(jié)

儲能仿生材料第七章能源仿生材料2）仿生離子傳輸通道制備鋰離子電池

受生物啟發(fā)的離子傳輸通道，可被合理設(shè)計用于金屬離子電池中電化學(xué)離子傳輸和存儲。二維納米材料的電荷和載流子的層間傳輸是影響儲能應(yīng)用中材料和設(shè)備性能的關(guān)鍵參數(shù)。受具有超快水和電解質(zhì)傳輸特性的多層次天然竹膜以支持其超高速生長的啟發(fā)，制備的具有定制梯度層間通道的二維-二維多層次異質(zhì)結(jié)構(gòu)石墨烯基膜，可以實現(xiàn)超快的層間離子傳輸，如圖20所示。圖20天然竹膜的形態(tài)和電池中生物啟發(fā)電極的設(shè)計示意圖。（a）竹林；（b）竹子；（c）竹膜；（d）竹膜表面圖像；（e）竹膜親水性；（f）竹膜層級分布；（e）竹膜納米封閉通道；（e）仿生竹膜的可充電電池模型。二、鋰電池仿生材料與設(shè)計（七）鋰離子電池的仿生構(gòu)建第四節(jié)

儲能仿生材料第七章能源仿生材料3）仿生甘蔗垂直莖稈制備鋰離子電池

金屬氧電池具有極高的理論能量密度，因此高性能氧電池需要多孔空氣電極和高效電催化劑。受天然甘蔗有序的垂直莖稈提供豐富微通道的啟發(fā)，研究人員設(shè)計并制造了一種結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)異的三維獨立式生物質(zhì)雞蛋-甘蔗（Egg-SC）電極，作為鋰-氧電池的陰極，如圖21所示。從天然甘蔗中提取的開放式互連微通道可為氧氣擴散提供充足的通道。圖21具有垂直微通道的Egg-SC陰極的機理。分層多孔、開放式垂直微通道可縮短鋰離子傳輸路徑并促進氧氣擴散。二、鋰電池仿生材料與設(shè)計（七）鋰離子電池的仿生構(gòu)建第四節(jié)

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4）仿生甘蔗垂直莖稈制備鋰離子電池

在儲能設(shè)備中輸送離子的電解質(zhì)是另一個關(guān)鍵部件，它將電極和分離器黏合在一起。作為一種理想的液態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)，它必須在較寬的范圍內(nèi)具有電化學(xué)穩(wěn)定性，對活性離子具有高導(dǎo)電性，熱穩(wěn)定性，并對其他成分具有化學(xué)惰性。通過模仿生物體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換，一種多電子氧化還原p型氧化還原活性有機材料（ROM）被設(shè)計用于非水基全有機氧化還原液流電池。通過對ROM的生物啟發(fā)分子設(shè)計，采用一種高溶解性和多氧化還原酚嗪基有機分子5,10-雙（2-甲氧基乙基）-5,10-二氫酚嗪（BMEPZ）作為陰溶膠材料，如圖22所示。圖22含有BMEPZ/FL電解質(zhì)的全有機全流電池示意圖。二、鋰電池仿生材料與設(shè)計（七）鋰離子電池的仿生構(gòu)建第四節(jié)

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5）仿生生物自愈能力制備鋰離子電池

自愈能力有助于生物系統(tǒng)保持其生存能力并延長其壽命。同樣，自愈能力也有利于下一代二次電池，因為高容量電極材料，尤其是氧或硫等陰極材料，會因不可逆和不穩(wěn)定的相轉(zhuǎn)移而縮短循環(huán)壽命。通過模仿生物自愈過程--纖維蛋白溶解，引入一種外在愈合劑—多硫化物，使硫微粒子（SMiP）陰極能夠穩(wěn)定運行，如圖23所示。對愈合過程以及空間異質(zhì)性的全面了解可進一步指導(dǎo)新型愈合劑（如碘化鋰）的設(shè)計，從而實現(xiàn)高性能的可充電電池。圖23凝血級聯(lián)的簡化示意圖三、仿生儲熱材料（一）基于蜂窩結(jié)構(gòu)的儲熱材料第四節(jié)

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天然蜂窩（圖24）以其獨特的形態(tài)特征和優(yōu)異的傳熱性能，成為學(xué)者們重要的靈感來源。蜂窩的層級結(jié)構(gòu)以及其在自然狀態(tài)下表現(xiàn)出的優(yōu)異力學(xué)性能和熱學(xué)性質(zhì)，為材料科學(xué)領(lǐng)域提供了新的思路和方法。蜂窩材料具有輕、強、耐燃燒、耐磨損、耐腐蝕、易加工等特點，在減輕重量方面具有顯著優(yōu)勢。在諸多研究中，使用蜂窩結(jié)構(gòu)的目的是為了更好地將吸收板上的熱量儲存和傳遞，提高儲熱功能；另一方面，則是為了盡可能減少對蓄熱材料總重量的負荷，即采用較輕的自重結(jié)構(gòu)。

受天然蜂窩獨特形態(tài)的啟發(fā)設(shè)計的生物導(dǎo)熱增強劑，能夠提高等效導(dǎo)熱系數(shù)，擴大換熱面積，從而促進仿生儲熱材料輔助的太陽能空氣加熱器的熱性能改善。這些材料在熱管理和力學(xué)強度方面具有更好的性能，從而滿足現(xiàn)代工業(yè)對高性能材料的需求。圖24蜂窩的幾何形狀、結(jié)構(gòu)及仿生材料設(shè)計。三、仿生儲熱材料（二）基于自然通道結(jié)構(gòu)的儲熱材料第四節(jié)

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為了提高可再生能源的利用率，對于現(xiàn)有常見的研究中的仿生學(xué)對象——植物的根和葉、動物的靜脈和骨骼等，通過研究此類對象作為一個整體或其部分的結(jié)構(gòu)組織，進而研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理，模仿以創(chuàng)建新的仿生儲熱材料功能結(jié)構(gòu)。其中，植物葉脈在數(shù)百萬年的進化過程中發(fā)展出了高效的物質(zhì)和能量運輸網(wǎng)絡(luò)，受葉脈布局的啟發(fā)，通過重新配置傳熱流體和相變之間的分叉脈狀翅片優(yōu)化儲熱材料的結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了高效快速的熱傳遞路徑，開發(fā)了一種改善熱充放電的仿生拓撲優(yōu)化策略。

骨作為一種人體組織，包含由羥基磷灰石晶體包裹的傾斜或垂直方向的膠原纖維陣列組成的骨束。高度有序的不同排列角度的膠原纖維陣列形成了一個連續(xù)的、增強的網(wǎng)絡(luò)，膠原纖維和羥基磷灰石晶體的結(jié)合形成了精確的“磚砂漿”復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)（圖25），繼而實現(xiàn)了高的抗拉強度、剛度以及抗拉、抗塑性變形能力。圖25人骨各向異性有序結(jié)構(gòu)。三、仿生儲熱材料（三）基于蝴蝶翅膀的儲熱材料第四節(jié)

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蝴蝶能夠通過其獨特的翅膀結(jié)構(gòu)和材料吸收、運輸和儲存太陽能，智能地調(diào)節(jié)體溫，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，蝴蝶的翅膀完全張開以吸收太陽的輻射熱，而當(dāng)體溫達到一定需求時，翅膀閉合以避免熱量過多散失，實現(xiàn)了對太陽能儲熱的調(diào)控。受此啟發(fā)制備的柔性且形狀穩(wěn)定的、處于卷脹狀態(tài)的復(fù)合材料設(shè)計（圖26），克服了傳統(tǒng)儲熱單元儲熱/放熱過程的熱效率限制，實現(xiàn)了快速的儲熱速率和長期的放熱周期。圖26太陽能熱收集的復(fù)合相變材料示意。一、節(jié)能仿生建筑設(shè)計第五節(jié)

節(jié)能仿生建筑材料第七章能源仿生材料

在過去的幾十年里，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對可持續(xù)發(fā)展的需求日益增加，建筑界越來越重視仿生學(xué)的應(yīng)用。仿生學(xué)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用，不僅僅是為了追求美學(xué)效果，更重要的是通過模仿自然界中生物體的結(jié)構(gòu)和功能，來解決實際問題，如能源的有效利用、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展以及建筑的穩(wěn)定性和安全性等。

在建筑設(shè)計中，仿生學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)產(chǎn)生了一些經(jīng)典的案例。例如，北京的國家體育場（鳥巢）采用了類似鳥巢的結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜的鋼構(gòu)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不僅具有視覺沖擊力，而且能夠在不同的季節(jié)和天氣條件下提供適當(dāng)?shù)恼诒魏屯L(fēng)。另一個例子是悉尼歌劇院，其帆狀的設(shè)計靈感來源于自然界中的貝殼，這種設(shè)計不僅美觀，而且能夠有效地分散負載，提高建筑的穩(wěn)定性。一、節(jié)能仿生建筑設(shè)計（一）基于自然空穴結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計第五節(jié)

節(jié)能仿生建筑材料第七章能源仿生材料

白蟻穴的通風(fēng)系統(tǒng)是一個自然界中的優(yōu)秀例子，它通過復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了有效的空氣流通和溫度調(diào)節(jié)，內(nèi)含一種非常高效的被動冷卻機制（圖27）。白蟻巢穴的內(nèi)部由數(shù)千個相互連接的通道、隧道和空氣室組成，這些通道、隧道可以捕獲風(fēng)能以“呼吸”，或者與周圍環(huán)境交換氧氣和二氧化碳。這種結(jié)構(gòu)不僅保證了空氣的新鮮，而且還通過材料的預(yù)冷和預(yù)熱有效調(diào)節(jié)了室溫。人類通過身體調(diào)節(jié)體溫，在炎熱的環(huán)境中出汗，在寒冷的環(huán)境中顫抖，而白蟻將這種自我平衡功能委托給土壤，依靠白蟻穴作為穩(wěn)定設(shè)施。巨大的晝夜溫差迫使白蟻通過保持溫暖和保持空氣新鮮來適應(yīng)突如其來的寒冷，在炎熱環(huán)境下，白蟻便從地下水位以下的深層土壤中攜帶濕泥作為冷卻源，依靠自然通風(fēng)實現(xiàn)對溫度的控制。圖27白蟻丘及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一、節(jié)能仿生建筑設(shè)計（一）基于自然空穴結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計第五節(jié)

節(jié)能仿生建筑材料第七章能源仿生材料

仿生自然通風(fēng)技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)開始顯現(xiàn)。例如，津巴布韋的東門中心就是一個模仿白蟻巢穴使用自然通風(fēng)冷卻技術(shù)的建筑。利用建筑的外部的多個開口，允許新鮮空氣流入并通過巖石床進行冷卻，然后進入建筑內(nèi)部，實現(xiàn)了建筑內(nèi)部溫度的有效控制，減少了對外部能源的依賴并提高了能源效率（圖28）。

總的來說，白蟻巢穴的自然通風(fēng)系統(tǒng)為現(xiàn)代建筑提供了一個獨特的視角，幫助建筑師和工程師設(shè)計出更加節(jié)能、環(huán)保且舒適的建筑環(huán)境，充分利用仿生自然通風(fēng)技術(shù)是這種具有潛力的建筑設(shè)計理念，模仿自然界的通風(fēng)機制來提高建筑的節(jié)能效果和居住舒適度。未來的研究和實踐應(yīng)當(dāng)致力于克服這一技術(shù)在實際應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)，以便更好地將其融入現(xiàn)代建筑設(shè)計中。圖28津巴布韋的東門中心及其通風(fēng)系統(tǒng)。一、節(jié)能仿生建筑設(shè)計（二）基于自然網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計第五節(jié)

節(jié)能仿生建筑材料第七章能源仿生材料

蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)原理在建筑設(shè)計中的應(yīng)用促進了線、網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，適用于具有靈活內(nèi)部空間的建筑。由于重量輕、空間跨度大、所需支撐點少等優(yōu)勢的存在，其廣泛應(yīng)用于體育館、展覽館、橋梁等工程中。采用充分發(fā)揮材料力學(xué)性能的抗拉性能良好的鋼索來承擔(dān)這項任務(wù)，能夠大大降低結(jié)構(gòu)自重，并有效減少材料和能源的使用量。

在實際應(yīng)用中，基于蛛網(wǎng)的仿生建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)被用于多個項目中。例如，德國慕尼黑的奧林匹亞體育場以其類似于蜘蛛網(wǎng)的帳篷狀屋頂而聞名，在實現(xiàn)保護觀眾免受日曬雨淋的同時，材料消耗最小化（圖29）。圖29蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)及慕尼黑奧林匹克體育場。一、節(jié)能仿生建筑設(shè)計（三）基于自然殼狀結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計第五節(jié)

節(jié)能仿生建筑材料第七章能源仿生材料

在自然界中，有許多具有薄殼的自然元素，如貝殼、蝸牛、蛋、堅果殼等。這些都是自然界中非常優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)材料，它們的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征為建筑設(shè)計提供了豐富的靈感。他們的共同特點是薄殼結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)因其