中國粉體網(wǎng)訊 礦物復合材料是指組成復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、礦物復合材料與能源產(chǎn)業(yè)相關(guān)性概述
現(xiàn)如今,隨著國際材料科學的發(fā)展及我國對新能源技術(shù)和生態(tài)環(huán)境保護的大力支持,新能源或能量存儲材料已逐漸成為功能材料領(lǐng)域的研究熱點。例如,由天然礦物石墨衍生出的石墨烯復合材料和黏土礦物插層復合材料已經(jīng)在儲能、催化、光電、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域大放異彩�？梢灶A見，下一代礦物復合材料的形態(tài)、功能和應用很可能會隨著人類對材料物理機制的挖掘而不斷地豐富和增長。
根據(jù)礦物組分,可將礦物在礦物復合材料在能源產(chǎn)業(yè)中的作用分為3種:
（1）礦物功能單元:本身具有直接應用功能屬性的礦物,如黃鐵礦復合材料用于鈉離子存儲；赤鐵礦復合材料用于超級電容器；輝鉬礦復合材料用于HER等。
（2）礦物結(jié)構(gòu)單元:本身無直接功能屬性,主要起分散性、負載性等結(jié)構(gòu)性作用。如埃洛石復合材料用于光催化HER,尾礦復合材料用于資源化綜合利用等。
（3）礦物輔助單元:不具備直接應用功能屬性,但具有輔助功能屬性的礦物。如電氣石復合材料用于光催化抗菌應用，電氣石本身不是光學半導體,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）薄膜自儲能發(fā)電的填料調(diào)控壓電-介電耦合發(fā)電等。
2、天然非金屬礦物復合材料在能源領(lǐng)域的應用
（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。利用石墨良好的導電性可制成太陽能電池、風力發(fā)電儲能用電池,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、新型動力電池、超級電容,用于混合動力汽車、電動汽車、太陽能汽車等領(lǐng)域。石墨烯的開發(fā)利用又將石墨的用途提升到一個新的高度。未來石墨及其制品將廣泛應用于宇航衛(wèi)星、智能手機、平板電腦、混合動力汽車、電動汽車、太陽能電池等領(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,人類對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/儲能器的潛力。但PVDF壓電聚合物壓電系數(shù)較小，壓電響應弱于傳統(tǒng)無機壓電材料,而制備PVDF/礦物壓電材料則能較好地解決該問題。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或電子云,有利于誘導PVDF類高分子形成電活性的β相或者為電荷移動提供路徑,且上述材料成本較低,制備工藝簡單,是合成復合壓電儲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707m2/g和1.22cm3/g；在2mA/cm2的電流密度下,能達到182F/g的比電容,1000次充放電循環(huán)后其電容保持率仍高達95.68%,表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
（4）硅藻土
在新能源領(lǐng)域，硅藻土被認為是制造多孔硅電池負極十分有前景的原材料，硅—氧化錳有望作為超級電容器電極材料，硅藻太陽能電池是硅太陽能電池的一個發(fā)展方向，硅藻土還是室溫儲氫的理想物理吸附材料，硅藻土復合材料可作為潛熱儲能技術(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能電池；葉輪氟涂料主要應用于風能發(fā)電中的風機；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),氫氣的儲存是氫能使用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前物理吸附儲氫材料主要有:碳基材料及其衍生物、沸石分子篩、硅納米管、金屬有機骨架化合物和共價有機物骨架等。在以上儲氫材料中,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,并且穩(wěn)定的化學性質(zhì)也能為氫氣的安全儲存提供保障。
（7）海泡石
傳統(tǒng)的電極材料由于其理論比容量受限,已不能滿足當前高比特性鋰電池的市場需求。天然礦物用作鋰硫電池的復合正極材料可有效彌補多硫化物導電性差和易溶解等缺陷。天然海泡石吸附性強且成本低廉,多硫化物的溶解問題在添加海泡石后得到了顯著改善,并以此獲得穩(wěn)定的電化學性質(zhì)。
（8）沸石
天然礦物可有效彌補聚烯烴類隔膜的缺陷,從而大幅提升鋰離子電池的各項性能。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導電云母負載其他材料制備電極。鄧興制備了云母片上外延生長的高結(jié)晶質(zhì)量的B相VO2薄膜并用于電容器正極材料,電化學性測試發(fā)現(xiàn)其比電容可達275F/g,1000次循環(huán)后的容量保持率高達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極的硅源。此外，埃洛石復合材料也用作二次電池，可以有效改善電解質(zhì)的鋰離子導電性、隔膜的質(zhì)子交換導電性及熱力學穩(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+傳導率使其能成為構(gòu)筑復合固態(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,同時天然礦物表面豐富的含氧官能團可與聚合物之間形成化合鍵、氫鍵等各種化學作用,有效提升固態(tài)電解質(zhì)的機械強度。
（11）鈣基材料
在眾多相變儲能材料體系中，CaO/CaCO3被認為是具有前景的儲能技術(shù)之一。儲能密度高達3.2GJ/m3，放熱溫度高達850℃以上，能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電和可持續(xù)儲能。中國科學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儲能材料表現(xiàn)出極低的過渡態(tài)反應能壘。同時，實驗結(jié)果驗證了摻雜稀土金屬元素可以將氫氧化鈣的起始反應溫度降低50℃，提高了材料反應動力學性能。較低的脫水反應溫度不僅可以擴大材料的適用范圍，而且可以顯著緩解材料的團聚和燒結(jié)問題，進而提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性，向大規(guī)模應用邁進了一大步。
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)太陽能電池。葉蠟石是重要的新能源（風電、風機葉片）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、快中子增殖反應堆中子吸收體。
結(jié)語
天然非金屬礦物種類多、儲量大、綠色環(huán)保，是新能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要支撐。在超細粉體加工技術(shù)的加持下，天然非金屬礦物的應用領(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)域的應用，但是目前產(chǎn)品種類和應用技術(shù)仍有待進步，尤其是精細化工理念，即超細、高純、功能化方面仍需加強。
參考來源：
白李琦，等：礦物復合材料及其能量存儲與能源催化應用，中國地質(zhì)大學（北京）
陳天星，等：新能源礦物材料研究進展，西安建筑科技大學
陳軍元，等：石墨、螢石等戰(zhàn)略非金屬礦產(chǎn)發(fā)展趨勢研究，中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心
楊芳，等：礦物材料在超級電容器電極中應用的研究進展，遼寧工程技術(shù)大學
粉體網(wǎng)、中國科學院工程熱物理研究所
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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