【国家科技奖系列报道】从石墨到石墨烯,助力中国锂电产业快速发展

一片天然石墨,从实验室的研究台走向产业化的生产线,最终,以一种高附加值的方式服务于我们现在的生活——科技服务生活,这正是康飞宇和团队里每一位科研工作者的追求。从研究石墨课题到今天开发石墨烯,三十年已经过去,未来还有多少个三十年?康飞宇和他的团队相信,只要有新的能源和技术需求,他们就不会止步……

从校门走进园子,我们习惯于冲上等候在门口的校巴,一瞬间就将暑气或寒流阻隔在门外。不知你有没有留意到,载着你的,是一辆零排放的纯电动汽车。当我们开始越来越享受新能源带来的福利时,可能不会想到,如今环游在校园内的电动校巴,数十年前,也许还只是实验室里一群人大脑里的一个想法……

1988年,现任清华大学深圳研究生院院长的康飞宇教授还是机械系一名青年教师,他所在的课题组刚刚开始聚焦于天然石墨的深加工技术。我国的天然石墨资源品质优良,储量丰富,占全世界储量的50%以上,但长期得不到有效的深加工利用,只停留在原材料的开采、出口销售,或用于低端产品,如耐火材料。基于这样的开发现状,团队开始寻求对天然石墨的深度开发,希望能提高资源的附加值,团队首先开始对石墨层间化合物合成技术的持续关注与研究,发明了电化学法制备优质可膨胀石墨的方法,并且迅速得到了转化生产。

1994年前后,课题组开始探究将天然石墨用于锂离子电池负极材料的研究,陆续发明了双氧水-硫酸共插层技术、微膨化改性、球形化和包覆等技术,并且和企业合作,逐步放大,在锂电池应用中取得了很好的效果。

长期以来,锂离子电池在商业化过程中大多使用人造石墨作为负极,而我国的部分企业率先使用天然石墨。“以前天然石墨在锂电池负极的应用中存在问题,如循环性能差,快充能力不好,面对越来越大的新能源存储和电动车需求量,电池容量也有待提高,我们的核心工作就是围绕着解决这些问题开展的。”康飞宇介绍说。中国有非常好的锂离子电池工业背景,非常有利于产学研相结合,将实验室研究成果迅速投入到工业化生产中并收获反馈,不断再完善技术。通过这种方式,项目组逐步开发出可快速充放电、工作温度范围宽和循环寿命长的微膨改性石墨负极材料、具有优异高倍率性能和低膨胀率的负极材料和高容量且循环性能优异的硅石墨复合负极材料。在实验室阶段成功并获得国家授权发明专利后,这些技术和发明被深圳翔丰华和内蒙古瑞盛新能源等合作企业迅速应用于产品化中。

锂电池负极材料的改进已经有了显著的突破,那么正极导电呢?课题团队将目光聚焦到石墨烯上,石墨烯技术在2004年被曼彻斯特大学两位教授发现并成功地从石墨中分离出石墨烯,他们在2010年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯是目前世界上能够合成的最薄的物质,仅仅一个碳原子层厚度,是碳原子按照六角网状无限延伸的平面结构。天然石墨可以看成是自然界将无数层石墨烯叠摞在一起的块体材料,如果能够将其一层层剥离,就得到了极薄的石墨烯材料。康飞宇回忆说,“在石墨烯制备技术方面,我们一直在进行着研究,从氧化插层、到剥离还原,我们都有独到之处。我们也很快和企业开始合作放大并进行产业化,核心应用是将石墨烯用作正极材料的导电剂。”课题团队发明了温和条件下高品质石墨烯的低成本、宏量制备技术,提出了基于“点-面”模型的石墨烯导电剂应用技术,相比于传统使用导电炭黑作为添加剂,石墨烯导电效果好、体积能量密度高,“不同体系锂电池的能量密度能提高3-8%,这对电池的性能改善是很大的贡献。”在石墨烯导电剂应用方面,课题组和东莞鸿纳、比亚迪等企业进行密切合作,进展非常快。目前,不少锂电厂家都在应用石墨烯导电剂。

锂电池行业在国际上曾一度是美日技术领先,生产主要集中在中日韩三国,天然石墨和石墨烯项目的成功研发和产业化让我国的锂电池产业如日中天,中国的产量现在已超过日本。谈起锂电池的国际产业布局,康飞宇认为,对新能源存储和电动车推广的需求急速增长是国际趋势,各国间也需要密切加强在技术研发、产业化和实际应用等方面的交流学习与合作。

2018年初,团队的研究课题“高性能锂离子电池用石墨和石墨烯材料”获得了2017年国家技术发明奖二等奖。回顾这一路的研究历程,康飞宇始终强调和工业界的密切合作,“一项实验室技术,最终需要放大到产业的实际应用中去。如何进行产业化,把握好技术投入生产的时间从而形成产品的价格优势,进一步提升和稳固我国在锂电池行业的话语权?面对这一问题,我认为高校要通过不断加强与产业界的合作来解决。”康飞宇说。

一片天然石墨,从实验室的研究台走向产业化的生产线,最终,以一种高附加值的方式服务于我们现在的生活——科技服务生活,这正是康飞宇和团队里每一位科研工作者的追求。从研究石墨课题到今天开发石墨烯,三十年已经过去,未来还有多少个三十年?康飞宇和他的团队相信,只要有新的能源和技术需求,他们就不会止步……

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