要“做好”更要“用好”——中科院山西煤化所储能炭材料研发纪实

近年来，中国科学院山西煤化所709组在储能炭材料与器件研发方面取得了重要进展，解决了储能炭制备与应用的系列科学难题，突破了石墨烯、电容炭和球形石墨等储能炭材料规模化生产核心技术，设计组装了超级电容器、锂离子电池和锂硫电池等储能器件，打造了“料—材—器—用”创新链，形成电动汽车、道钉灯和无人机等应用示范，促进了我国储能炭材料从“做好”向“用好”的跨越。

突破共性关键问题

从生物质和高分子等有机前驱体向无机炭材料转化的结构演变机制，及材料微观结构与电化学性能间的构效关系，是储能炭可控制备与定向应用的共性关键科学问题。

在陈成猛研究员的带领下，煤化所709组的科研团队在上述关键科学问题接连取得突破。他们首先阐释了淀粉分子交联过程中主/侧链竞争反应及碳碳键断裂和键合机制，为生物质向电容炭的可控转化提供了科学依据;其次研究了生物质和酚醛树脂基电容炭或硬炭在热还原时含氧官能团的演变路径，并与其超级电容器和锂离子电池等性能建立关联，为储能炭材料表面结构优化指明了方向;最后阐释了磷酸活化对多孔炭表面磷掺杂的化学机制，发现了其对电化学界面的稳定效应，为高电压电容炭的表面结构设计提供了新思路。

开发产业化成套技术

在认知科学原理的基础上，突破储能炭材料产业化成套技术，是解决关键材料“卡脖子”问题的核心任务。该科研团队与晋能集团、美锦集团和山西三维等企业合作，先后攻克了吨级氧化还原石墨烯、十吨级生物质基电容炭和吨级煤基球形石墨中试技术，打通了全套工艺流程，研制配套了关键装备，实现了相关材料从“样品”向“产品”的跨越。

他们开发的石墨烯中试制备技术通过山西科技成果鉴定，达到国际先进水平，产品已推广应用于中电科18所、航天科技42所、中国航发北京航材院等国内外100余家企业和研究机构。电容炭中试产品已通过宁波中车、锦州凯美和上海奥威等国内电容器领军企业的应用评测，技术指标超越日本可乐丽YP-50F产品。团队还已与美锦能源合作启动了年产500吨电容炭产业化一期工程，预计2021年产出批量化合格产品，届时将实现中国超级电容器产业关键材料的进口替代。

建成组装评测平台

“料要成材，材要成器，器要可用”，是解决材料稳定化生产及应用匹配性等问题的有效策略。为服务储能炭材料精准高效研发，该团队建成了国际先进的电化学储能器件组装与评测平台。依托自主炭材料，设计组装了超级电容器、锂离子电池和锂硫电池等先进储能器件，并形成道钉灯、电动汽车、无人机等应用示范。

他们还通过整合上下游资源，实现了从“单元配套”向“系统集成”的过渡，在反馈指导材料工艺优化的同时，实现了储能行业需求的精准对接。目前，该团队已与宁波中车、宁德时代、沙特基础工业公司、厦门大学、中科院空天信息院和大连化物所等单位建立密切合作关系，正为军民领域部分型号开发储能解决方案。

完善知识产权布局

团队在储能炭材料和器件方面形成了完善的知识产权布局，目前已申请PCT专利3项，国家发明专利45项、实用新型专利5项，其中已授权19项。

此外，团队积极推进标准化工作，共主持制订4项国际标准、2项国家标准，提升了煤化所在相关领域的话语权。团队还获得山西省自然科学一等奖、中国产学研合作创新成果一等奖、中国化工学会技术发明二等奖等荣誉。