石墨烯“織就”鋰離子“夢幻華服”

石墨烯“織就”鋰離子“夢幻華服”

被做成不同形狀的石墨烯納米材料示意圖



如果說那薄如蟬翼、六角網格紋路質地的材料是巧奪天工的織錦，那么這位八零后的女科學家就是一位新銳的時尚設計師，她以新潮的藝術思維、靈巧的雙手把“織錦”幻化成“夢幻華服”。她就是中國科學院金屬研究所博士、北京圣盟科技有限公司首席科學家趙金平。而她和團隊制作“夢幻華服”的“織錦”就是被稱作“新材料之王”的石墨烯。

7月16日上午，在北京科技會堂，趙金平向匯聚于此的業內專家展示、講解自己和團隊取得的一項重大突破：石墨烯包裹改性鋰離子電池正、負極材料技術。該技術形象地說就是給鋰離子電極材料“量體裁衣”，從而大幅提升電池性能。



①獨創兩套包覆法

　　規模化試產成功

　　通過現場展示的放大5萬倍的掃描電鏡圖，趙博士娓娓講述著石墨烯“夢幻華服”特有的科技之美：“如此圖所示，石墨烯非常均勻地包覆在三元材料鋰離子表面，不僅不會破壞被包覆的三元材料，而且形成了更加穩定的結構。”

　　傳統電極材料在充放電循環過程中，體積極容易增大膨出，嚴重時會導致粉化，極大影響電池性能。石墨烯具有超高導電性、柔性，將其包覆在電極材料表面，如同為其“穿上”了量身定制的“魔法衣”，既能增強電子轉移速率，提高導電性，又能約束其體積變化，大幅提高放電容量、充放電次數等性能。

　　近年來，國際上研究石墨烯包覆技術的學者很多，不過大多停留在學術探討層面，極少實現技術，更不要說實現產業化。趙金平團隊正是迎著技術難題而上，通過數年持之以恒努力，在全球率先實現了石墨烯包覆電極材料尤其是三元正極材料和碳硅負極材料等的技術突破，申請數項國家專利。特別難能可貴的是，該技術投入規模化試產成功，為商業化量產奠定了基礎。

　　對石墨烯包覆技術的秘訣，趙金平透露說，就如同給電極材料制作衣服，要“合身”“美觀”，就必須量體裁衣、個性化定制，也就是說，要針對不同電極材料的結構和表面特性，制作適宜的石墨烯材料，采用相應的包覆方法。具體來說，她帶領團隊針對正極材料和負極材料，分別開發了“兩相界面包覆法”和“液氮冷萃法”。

②性能指標大幅提升

　　推動提前實現能量密度2020

“就放電容量而言，經過500次循環后，石墨烯包覆的三元材料和加入了添加劑的石墨烯包覆的三元材料的容量保持率分別為87.3%和98.08%，其循環穩定性比傳統三元材料分別提升了40%和50.56%。經過1000次循環后，加入了添加劑的石墨烯包覆的三元材料容量保持率還能達83.87%。”趙金平對石墨烯包覆后的三原材料性能指標如數家珍。

　　負極材料經過石墨烯包裹后不僅循環穩定性有所提升，其容量也大幅度提高。趙金平以氧化鐵材料為例介紹說，通過“液氮冷萃法”，加入添加劑后，石墨烯均勻地包裹在氧化鐵表面，其容量提高67.1%，穩定性提高18.2%。最值得期待的是石墨烯包裹硅負極材料的性能表現，目前，她和團隊正在做相關實驗和測試，相信相關數據一定會讓人特別振奮。

　　在認真評審后，由國家新材料產業發展專家咨詢委員會委員、清華大學材料科學與工程系教授翁端，國家“千人計劃”專家、中科院大連化學物理研究所研究員吳忠帥，中國國際石墨烯資源產業聯盟常務副理事長阮汝祥等10人組成的專家委員會認為，“石墨烯包覆鋰離子電池正、負極材料技術達到國際先進水平，同意通過科技成果評價。”該技術應用到車用動力電池上，就可望實現單體能量密度達到300瓦時/千克，而這正是《智能汽車關鍵技術產業化實施方案》提出的2020年車用動力電池能量密度指標。

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