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石墨烯织就锂离子单体能量密度有望达300KW/kg

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石墨烯织就锂离子单体能量密度有望达300KW/kg

发布日期:2018-07-17 作者:天蓝智能 点击:

摘要:对石墨烯包覆技术的秘诀,赵金平透露说,就如同给电极材料制作衣服,要“合身”“美观”,就必须量体裁衣、个性化定制,也就是说,要针对不同电极材料的结构和表面特性,制作适宜的石墨烯材料,采用相应的包覆方法。

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     被做成不同形状的石墨烯纳米材料


如果说那薄如蝉翼、六角网格纹路质地的材料是巧夺天工的织锦,那么这位八零后的女科学家就是一位新锐的时尚设计师,她以新潮的艺术思维、灵巧的双手把“织锦”幻化成“梦幻华服”。她就是中国科学院金属研究所博士、北京圣盟科技有限公司首席科学家赵金平。而她和团队制作“梦幻华服”的“织锦”就是被称作“新材料之王”的石墨烯。


7月16日上午,在北京科技会堂,赵金平向汇聚于此的业内专家展示、讲解自己和团队取得的一项重大突破:石墨烯包裹改性锂离子电池正、负极材料技术。该技术形象地说就是给锂离子电极材料“量体裁衣”,从而大幅提升电池性能。


①独创两套包覆法


规模化试产成功


通过现场展示的放大5万倍的扫描电镜图,赵博士娓娓讲述着石墨烯“梦幻华服”特有的科技之美:“如此图所示,石墨烯非常均匀地包覆在三元材料锂离子表面,不仅不会破坏被包覆的三元材料,而且形成了更加稳定的结构。”


传统电极材料在充放电循环过程中,体积极容易增大膨出,严重时会导致粉化,极大影响电池性能。石墨烯具有超高导电性、柔性,将其包覆在电极材料表面,如同为其“穿上”了量身定制的“魔法衣”,既能增强电子转移速率,提高导电性,又能约束其体积变化,大幅提高放电容量、充放电次数等性能。


近年来,国际上研究石墨烯包覆技术的学者很多,不过大多停留在学术探讨层面,极少实现技术,更不要说实现产业化。赵金平团队正是迎着技术难题而上,通过数年持之以恒努力,在全球率先实现了石墨烯包覆电极材料尤其是三元正极材料和碳硅负极材料等的技术突破,申请数项国家专利。特别难能可贵的是,该技术投入规模化试产成功,为商业化量产奠定了基础。


对石墨烯包覆技术的秘诀,赵金平透露说,就如同给电极材料制作衣服,要“合身”“美观”,就必须量体裁衣、个性化定制,也就是说,要针对不同电极材料的结构和表面特性,制作适宜的石墨烯材料,采用相应的包覆方法。具体来说,她带领团队针对正极材料和负极材料,分别开发了“两相界面包覆法”和“液氮冷萃法”。


②性能指标大幅提升


推动提前实现能量密度2020


“就放电容量而言,经过500次循环后,石墨烯包覆的三元材料和加入了添加剂的石墨烯包覆的三元材料的容量保持率分别为87.3%和98.08%,其循环稳定性比传统三元材料分别提升了40%和50.56%。经过1000次循环后,加入了添加剂的石墨烯包覆的三元材料容量保持率还能达83.87%。”赵金平对石墨烯包覆后的三原材料性能指标如数家珍。


负极材料经过石墨烯包裹后不仅循环稳定性有所提升,其容量也大幅度提高。赵金平以氧化铁材料为例介绍说,通过“液氮冷萃法”,加入添加剂后,石墨烯均匀地包裹在氧化铁表面,其容量提高67.1%,稳定性提高18.2%。最值得期待的是石墨烯包裹硅负极材料的性能表现,目前,她和团队正在做相关实验和测试,相信相关数据一定会让人特别振奋。


在认真评审后,由国家新材料产业发展专家咨询委员会委员、清华大学材料科学与工程系教授翁端,国家“千人计划”专家、中科院大连化学物理研究所研究员吴忠帅,中国国际石墨烯资源产业联盟常务副理事长阮汝祥等10人组成的专家委员会认为,“石墨烯包覆锂离子电池正、负极材料技术达到国际先进水平,同意通过科技成果评价。”该技术应用到车用动力电池上,就可望实现单体能量密度达到300瓦时/千克,而这正是《智能汽车关键技术产业化实施方案》提出的2020年车用动力电池能量密度指标。


赵金平特别指出,石墨烯包裹技术和石墨烯基电池材料优异的性能已经通过国家动力电池创新中心和风帆有限责任公司的检测,后者还出具了相关样品的检测报告。在技术专利方面,目前,赵金平团队基于石墨烯的包裹技术已申请2项国家专利,还有数项专利正在申报中。


③突破源于3个方面


领先气质诠释创新中国


石墨烯作为电子迁移率超高、热传导效应性能超好的神奇二维碳纳米材料,自2004年被发现以来,特别是其发现者因此获得2010 年度诺贝尔物理学奖以来,成为耀眼的“明星”材料,将其用于提升锂离子电池性能的研究更是不断掀起热潮。然而,教育部查新工作站发布的相关科技查新报告显示,除了赵金平团队研发成果申请的专利外,在国内外已公开发表的文献和专利中,尚未见有利用针对锂离子电池正极材料的“两相界面包覆”工艺和针对负级材料的“液氮冷萃”工艺,制备比容量大、循环稳定性好的石墨烯改性锂离子电池电极材料的报道。


赵金平团队为何能取得原创性技术突破呢?在业内专家看来,大体上在于3个方面。一是优质石墨烯供应充足。赵金平团队的研究占据了一个先天优势:所在公司北京圣盟科技是全球石墨烯制备的领先企业,可以为技术开发提供高品质石墨烯支持,而这正是取得突破至关重要的基础条件。否则,以品质不高的石墨烯或者石墨粉投入科研,取得突破是难以想象的。二是长期的技术积累和不怕困难的拼搏精神。赵金平和团队在石墨烯科研领域耕耘了近10年,相关包覆技术创新是长期摸索的必然。迎难而上、苦心钻研的拼搏是成功的必备条件。在实验中,由于三元材料颗粒较大,石墨烯包裹困难,她带领团队硬是攻关了近一年半,锲而不舍,不断尝试,终获成功。三是中国石墨烯科研实力居前,引领世界。据《经济日报》今年年初报道,中国是石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一,在全球石墨烯专利中,近六成来自中国。正是国内良好的石墨烯科技创新环境和氛围,培养造就了赵金平团队勇于创新的精神和能力。


链接


石墨烯


石墨烯是一种由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学等方面具有重要的应用前景,被认为是一种革命性材料。(人民日报海外版/张保淑)



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关键词:石墨烯,石墨烯能量密度有望达300KW/kg

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