鑽石舞台

陳老師：把石墨烯作為主要的電極材料應用於鋰離子電池基本是行不通的。鋰電負極材料要求壓實密度高、比表面積小，而石墨烯這種納米材料比表面積大、界面多，雖然理論上講石墨烯兩面都可以吸附鋰、儲存鋰，儲鋰容量能達到石墨理論容量的兩倍，但事實證明，這都是以犧牲其它指標，比如體積密度、首效、循環穩定性為代價。

當主角不行，那當配角呢？這就要說到導電劑了。現在主流的導電劑是炭黑，碳納米管作為一種新型的導電劑，展現出優異的性能，市場份額在逐漸提升。受鋰電市場的牽引，行業已經湧現出不少碳納米管企業，有的已經上市。石墨烯導電性很好，它的片與片之間有面接觸和線接觸，接觸電阻更小，更容易在三維空間裡形成導電網絡，理論上比導電炭黑和碳納米管有優勢，但實際上大家忽略了一個問題，電子導電通路雖然建立起來了，離子卻進入了迷宮，石墨烯導電網絡阻礙了離子的遷移，導致擴散電阻增大。為解決這個問題，人們考慮將石墨烯做成小片徑或面內進行打孔，再就是與碳納米管或炭黑摻混得到複合型導電劑。為降低成本，行業還出現了小片徑、十幾層、甚至幾十層的石墨烯導電劑，但從嚴格意義上講這類材料並不能稱作石墨烯，而是石墨微片。雖然我從事石墨烯研究，我希望石墨烯確實能用上，可作為一個科研工作者，客觀、實際的講，石墨烯在鋰離子電池的應用場景確實有限。

另外，石墨烯可以用作塗碳集流體的導電塗層，我認為比導電劑更有優勢。塗碳集流體導電塗層通常用納米炭材料，如納米石墨、炭黑、碳納米管。石墨烯是一種二維材料，本身就是一種微觀上的膜，將其塗覆在銅箔或鋁箔上，做成一個宏觀的有一定厚度的膜，去作為集流體和電極材料的界面，界面結合強度、附着力、兩相界面的傳遞作用會比零維、一維材料更好，更符合它二維材料的結構特性，而且用量少，成本可接受，塗碳集流體比普通集流體擁有更高的附加值。

陳老師：我們沒有布局這方面的研究，但我了解到一些企業和科研機構在做，我還比較看好，至少是用真正的石墨烯。我認為導電劑和塗碳集流體是石墨烯在鋰離子電池相對適用的兩個應用場景。

陳老師：嗯，對。還有一個應用是硅炭方向。把石墨烯和納米硅進行複合，用石墨烯去包納米硅，把它裹在裡面，經二次造粒做成微米級的顆粒，就像在一張紙里撒入一些種子，搓成一個紙團。這種方法要實現工業應用，需達到鋰電負極材料的工業標準，比表面積、壓實密度等特性都要過關。這種應用可能有一定前景。

陳老師：石墨烯在功能材料方向是可以作為主要材料使用的。我們將氧化石墨烯組裝成膜，經高溫石墨化、輥壓處理，得到具有一定厚度的石墨烯導熱膜，這種膜是一種高熱通量、高面向熱導率的散熱材料。5G時代包括華為在內的許多手機廠商已經開始使用石墨烯導熱膜。我們團隊主要是面向國防領域，將石墨烯導熱膜應用於飛行器、雷達、高能激光器的熱控，這些設備的特點是高熱流密度，利用石墨烯膜的高導熱性、可加工性就可以解決其均溫散熱的問題。過去熱控領域常用的是人工石墨膜，以聚酰亞胺作為原料製備，但聚酰亞胺基本依賴進口，還未國產化，是一種「卡脖子」的原材料。現在換一個思路，採用石墨烯作為原料去組裝厚型高通量導熱膜，用在5G電子產品和國防裝備散熱，可以算是石墨烯的一個「殺手鐧」應用。

陳老師：這個應用是將石墨烯調製成導電油墨，印刷在某種基底上，通電後就可以發熱，相當於電阻發熱。炭材料是一種黑體，紅外發射係數和電熱轉換效率比較高，會產生遠紅外線，對人體也沒壞處。現在市場上售賣的石墨烯取暖器，包括壁畫、地暖、理療產品很多，技術門檻不高。但是，到底是不是非得用石墨烯來做？傳統的用炭黑、石墨、短切碳纖維製造的發熱面板，性能也不差，其實都是利用炭材料的黑體屬性。所以石墨烯取暖器這類應用並不是真正把石墨烯的二維結構、納米級原子層厚度充分用起來，而且這類產品中是否使用了真正的石墨烯，都要打個問號。

陳老師：我們完成的第一個產學研合作項目就是剛才講到的石墨烯中試技術攻關。整體上石墨烯的市場仍然不成熟，需要培育，很多做石墨烯的同仁因此拓展了其它方向，比如例如黑磷、硫化鉬、氮化硼等。我們在石墨烯方向找到的一個應用突破口就是前面提到的石墨烯導熱膜，我們與兄弟課題組聯合進行中試技術開發，在衛星等航天軍工領域已有了實際應用，並且成為合格供方，目前正在積極尋求產學研合作夥伴。

現在團隊主要聚焦的是市場上已經有需求或需求相對明確的方向。我們第二個產學研合作項目是超級電容炭，在與超級電容器企業交流接觸中我們了解到國內電容炭基本依賴日韓進口，國產化做的還不夠穩定，屬於超級電容行業的「卡脖子」難題。中科院作為「國家隊」，煤化所作為炭材料根據地，在多孔炭領域積累了深厚的研究基礎，因此我們開始進行電容炭製備技術開發。2016年小試完成後我們與山西美錦能源進行合作，啟動了產學研合作項目，在2020年中完成了十噸級電容炭中試技術開發，2021年下半年啟動了一期500噸級電容炭產業化項目，預期在2022年底建成投產。這個項目我們從做中試時就與企業綁定在一起，雙方合作去提高技術成熟度，同時積極與下游超級電容企業進行互動，根據用戶需求牽引不斷優化工藝條件，最終實現了技術成果轉移轉化。考慮到超級電容市場還未爆發，我們還同時在進行硬炭的開發，硬炭可以用作鋰電或鈉電的電極材料，它與電容炭有一些共性技術，都可以用生物質或瀝青作為原料製備，只是不需要造孔。團隊目前與下游鋰電和鈉電產業已建立合作關係，我們考慮在電容炭產業化線建設過程中設計一條硬炭的工業側線，形成超級電容、鋰電和鈉電三跑道，實現產品多樣化，為用戶提供更好的材料解決方案，這個過程中不排除可能引入新投資方。

再就是煤基炭材料方向，煤本身就是大自然加工好的一種炭，是由遠古時期埋在地下的植物經過億萬年的地質作用而來。無煙煤的固定碳含量在80%以上，是一種很好的碳源。瀝青同樣是很好的碳源，可以稱作「碳材料之母」，包括現在非常火熱的鋰離子電池人造石墨負極，原料就是用煤瀝青或石油瀝青製備的針狀焦，包覆也是採用瀝青。電容炭也可以用瀝青做成的針狀焦，經過活化造孔製備得到。山西是煤炭大省，煤炭儲量很豐富，品種多，品質高，產量大。山西也是焦化大省，焦化下游就會產出很多的煤瀝青，煤瀝青碳含量高，成本可控，可塑性強，殘炭率高，但用於特種炭材料領域的中間相瀝青、紡絲瀝青、包覆瀝青這些核心原料仍然依賴進口，與國外有很大差距。煤化所老前輩們在煤和煤瀝青製備炭材料方面做了很多紮實的工作，有很好的研究積累，團隊也一直在做相關的技術開發，基於此我們分別與神華集團、華陽新材、陽光焦化和美錦能源這些煤炭焦化企業建立了合作關係，共同開發煤基炭材料項目，爭取在傳統炭材料裡面挖出金礦，實現煤的高附加值轉化利用。而且下游用戶現在越來越重視原料保障，對原材料國產化的需求也在牽引我們做下去。

我們更像是一個連接上游傳統產業和下游包括鋰電在內的戰略性新興產業的連接器，依託我們在炭材料領域的創新能力和研發能力，推動相關產業延鏈、補鏈、強鏈，這對傳統產業轉型升級和服務戰略性新興產業具有重要的意義，我們也願意承擔起這個責任。

陳老師：石墨在當前乃至未來幾年依然是主流，不可代替，包括天然石墨和人造石墨。但石墨的固有短板是低溫性能和充電速度，所以需要在石墨上做更多工作。為什麼當前的低溫和快充性能不太好？主要是因為針狀焦或石油焦原料有一定取向性、容易石墨化，經過整形後石墨化度依然很高，所以儲鋰機制以鋰離子嵌入為主，不利於鋰離子擴散，導致快充時析鋰，容易出現安全事故。改進現有的製備工藝去解決這些問題有一定困難，但可以考慮在原料端換個跑道。無煙煤儲量豐富、成本低，特別是它的各向同性，使得製備得到的石墨取向性不高，石墨端面可以暴露出來，這樣鋰離子嵌入的通道和入口會更多，進入微米級顆粒內部的離子更少。另外，無煙煤包含一定揮發分，在脫除過程中會出現一些初級孔道，變成內孔。無煙煤還含有一些難石墨化的部分，有一部分轉化為類似於硬炭的結構。因此我們不追求100%石墨化，而是保留一部分無定型炭（硬炭結構），主體還是石墨，就可以用來做低溫快充型負極。團隊在無煙煤基鋰電負極方面已經做了大量工作，通過精細的分選降低無煙煤揮分，再做成負極材料，附加值很高。傳統的動力煤主要用於發電，或作為燃料來用，現在通過石墨化把碳富集起來，根據需求轉化為高端炭材料，用於鋰離子電池等綠色儲能場景，進而對接新能源汽車和電網應用，是節能減排，也是製造端材料固碳、應用端電池減碳，非常符合我國的雙碳目標。

我比較看好的另一個方向是硬炭，以瀝青或生物質原料去製備，用於鋰電可以提升低溫、快充性能，突破石墨372 mAh/g理論容量極限；用於鈉電也是大有可為的。另外，也可以將硬炭和納米硅複合，製備得到硅炭負極，解決鋰電低溫快充高容量問題，成為全能型選手。這類新型負極在未來都是有一定發展前景的。