中国粉体网讯 矿物复合材料是指组成复合材料的多种组分中,含有一种或多种矿物组分从而使材料具有新性能的多相固体材料，且以矿物材料为主要或重要组分的复合材料。
其中的矿物组分可以包括工业矿物与岩石,不仅可以是以长石、石英、铝土矿等为代表的工业矿物原料,也可以是包括天然矿物材料和人工矿物材料的工业矿物材料,如石墨、云母、沸石等,还有以高岭土、膨润土、碳酸钙为主的工业岩石原料和工业固体废物等。
1、矿物复合材料与能源产业相关性概述
现如今,随着国际材料科学的发展及我国对新能源技术和生态环境保护的大力支持,新能源或能量存储材料已逐渐成为功能材料领域的研究热点。例如,由天然矿物石墨衍生出的石墨烯复合材料和黏土矿物插层复合材料已经在储能、催化、光电、生物医药等领域大放异彩。可以预见，下一代矿物复合材料的形态、功能和应用很可能会随着人类对材料物理机制的挖掘而不断地丰富和增长。
根据矿物组分,可将矿物在矿物复合材料在能源产业中的作用分为3种:
（1）矿物功能单元:本身具有直接应用功能属性的矿物,如黄铁矿复合材料用于钠离子存储；赤铁矿复合材料用于超级电容器；辉钼矿复合材料用于HER等。
（2）矿物结构单元:本身无直接功能属性,主要起分散性、负载性等结构性作用。如埃洛石复合材料用于光催化HER,尾矿复合材料用于资源化综合利用等。
（3）矿物辅助单元:不具备直接应用功能属性,但具有辅助功能属性的矿物。如电气石复合材料用于光催化抗菌应用，电气石本身不是光学半导体,却能自身受激产生载流子用于光催化；石墨烯不具备发电功能,但可作为聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）薄膜自储能发电的填料调控压电-介电耦合发电等。
2、天然非金属矿物复合材料在能源领域的应用
（1）石墨
核能用高温气冷型燃料基体材料需用64%的天然鳞片石墨。利用石墨良好的导电性可制成太阳能电池、风力发电储能用电池,用于光伏等清洁能源领域,节约能源消耗。天然石墨负极材料是锂离子电池的关键原料,以天然石墨为原料,生产锂离子电池、新型动力电池、超级电容,用于混合动力汽车、电动汽车、太阳能汽车等领域。石墨烯的开发利用又将石墨的用途提升到一个新的高度。未来石墨及其制品将广泛应用于宇航卫星、智能手机、平板电脑、混合动力汽车、电动汽车、太阳能电池等领域,成为战略新兴材料。
（2）蒙脱石
随着科技的发展和生活水平的提高,人类对可穿戴柔性材料的需求不断上升。PVDF及其聚合物由于其特有的压电性和柔韧性,具有制备柔性可穿戴传感器/储能器的潜力。但PVDF压电聚合物压电系数较小，压电响应弱于传统无机压电材料,而制备PVDF/矿物压电材料则能较好地解决该问题。以蒙脱石、云母、埃洛石等为代表的矿物材料表面拥有丰富的官能团或电子云,有利于诱导PVDF类高分子形成电活性的β相或者为电荷移动提供路径,且上述材料成本较低,制备工艺简单,是合成复合压电储能器材的理想材料之一。
（3）凹凸棒石
某些天然矿物具有特定的形貌结构,如凹凸棒石、蒙脱石、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为模板、柠檬酸为碳源制备了介孔碳材料,该材料复制了凹凸棒石的纳米棒状结构,比表面积和总孔容分别达707m2/g和1.22cm3/g；在2mA/cm2的电流密度下,能达到182F/g的比电容,1000次充放电循环后其电容保持率仍高达95.68%,表现出了优异的电化学性能和循环稳定性。
（4）硅藻土
在新能源领域，硅藻土被认为是制造多孔硅电池负极十分有前景的原材料，硅—氧化锰有望作为超级电容器电极材料，硅藻太阳能电池是硅太阳能电池的一个发展方向，硅藻土还是室温储氢的理想物理吸附材料，硅藻土复合材料可作为潜热储能技术相变材料。
（5）萤石
含氟背板膜、含氟前板膜等主要用于太阳能电池；叶轮氟涂料主要应用于风能发电中的风机；六氟磷酸锂主要用于锂电池；全氟离子膜主要用于燃料电池。含氟锂电池材料、氟橡胶主要用于动力锂电池、密封制品中。
（6）硅纳米管
随着科技的发展,氢的制备已不再是难题,但由于氢的特殊理化性质,氢气的储存是氢能使用的关键环节。目前物理吸附储氢材料主要有:碳基材料及其衍生物、沸石分子筛、硅纳米管、金属有机骨架化合物和共价有机物骨架等。在以上储氢材料中,天然矿物自身具有丰富的纳米孔结构,能为氢气提供大量的吸附位点,并且稳定的化学性质也能为氢气的安全储存提供保障。
（7）海泡石
传统的电极材料由于其理论比容量受限,已不能满足当前高比特性锂电池的市场需求。天然矿物用作锂硫电池的复合正极材料可有效弥补多硫化物导电性差和易溶解等缺陷。天然海泡石吸附性强且成本低廉,多硫化物的溶解问题在添加海泡石后得到了显著改善,并以此获得稳定的电化学性质。
（8）沸石
天然矿物可有效弥补聚烯烃类隔膜的缺陷,从而大幅提升锂离子电池的各项性能。沸石隔膜的孔隙率、热稳定性、电解液亲和力以及容量保持率均优于传统聚烯烃隔膜。张红涛等以沸石、硅溶胶和乙二胺四乙酸为原料,采用烧结工艺制备了沸石基锂离子电池隔膜，多孔沸石隔膜组装的锂离子电池经300次充放电循环后容量衰减率仅为4.2%。沸石隔膜的孔隙率、热稳定性、电解液亲和力以及容量保持率均优于传统聚烯烃隔膜。
（9）云母
云母膨胀系数高,因此可制备膨胀云母作为模板剂或通过导电云母负载其他材料制备电极。邓兴制备了云母片上外延生长的高结晶质量的B相VO2薄膜并用于电容器正极材料,电化学性测试发现其比电容可达275F/g,1000次循环后的容量保持率高达78%。
（10）埃洛石
埃洛石是天然的硅酸盐矿物,常常被用作制备硅负极的硅源。此外，埃洛石复合材料也用作二次电池，可以有效改善电解质的锂离子导电性、隔膜的质子交换导电性及热力学稳定性，如天然埃洛石纳米管（HNT）可以直接用作锂硫电池的固态电解质填料使用。
埃洛石为1∶1二八面体结构的高岭土系矿物,最普遍的类型是管状结构,埃洛石具有形态完整的中空管状结构,无套管现象,不封闭,是一种天然的多孔纳米材料。研究表明，天然矿物以其特殊的形貌结构和高Li+传导率使其能成为构筑复合固态电解质的新型材料,能有效抑制锂离子电池中锂枝晶的不可控生长,同时天然矿物表面丰富的含氧官能团可与聚合物之间形成化合键、氢键等各种化学作用,有效提升固态电解质的机械强度。
（11）钙基材料
在众多相变储能材料体系中，CaO/CaCO3被认为是具有前景的储能技术之一。储能密度高达3.2GJ/m3，放热温度高达850℃以上，能够实现高效发电和可持续储能。中国科学院工程热物理研究所传热传质研究中心科研人员发现，掺杂稀土金属元素的钙基热化学储能材料表现出极低的过渡态反应能垒。同时，实验结果验证了掺杂稀土金属元素可以将氢氧化钙的起始反应温度降低50℃，提高了材料反应动力学性能。较低的脱水反应温度不仅可以扩大材料的适用范围，而且可以显著缓解材料的团聚和烧结问题，进而提高材料的循环稳定性，向大规模应用迈进了一大步。
其他
在新能源领域，高纯石英制成晶体硅材料用于生产太阳能电池。叶蜡石是重要的新能源（风电、风机叶片）材料和新型功能材料。硼用作压水堆中子吸收剂，碳化硼用作高温气冷堆、快中子增殖反应堆中子吸收体。
结语
天然非金属矿物种类多、储量大、绿色环保，是新能源产业转型升级的重要支撑。在超细粉体加工技术的加持下，天然非金属矿物的应用领域和附加值得到大幅度提升，也成就了其在新能源等高端领域的应用，但是目前产品种类和应用技术仍有待进步，尤其是精细化工理念，即超细、高纯、功能化方面仍需加强。
参考来源：
白李琦，等：矿物复合材料及其能量存储与能源催化应用，中国地质大学（北京）
陈天星，等：新能源矿物材料研究进展，西安建筑科技大学
陈军元，等：石墨、萤石等战略非金属矿产发展趋势研究，中国建筑材料工业地质勘查中心
杨芳，等：矿物材料在超级电容器电极中应用的研究进展，辽宁工程技术大学
粉体网、中国科学院工程热物理研究所
(中国粉体网编辑整理/昧光)
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