如果說那薄如蟬翼、六角網(wǎng)格紋路質(zhì)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(shè)計師，她以新潮的藝術(shù)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(yè)內(nèi)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(shù)。該技術(shù)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(chuàng)兩套包覆法

規(guī)模化試產(chǎn)成功

通過現(xiàn)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(wěn)定的結(jié)構(gòu)。”

傳統(tǒng)電極材料在充放電循環(huán)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(zhuǎn)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(shù)等性能。

近年來，國際上研究石墨烯包覆技術(shù)的學者很多，不過大多停留在學術(shù)探討層面，極少實現(xiàn)技術(shù)，更不要說實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。趙金平團隊正是迎著技術(shù)難題而上，通過數(shù)年持之以恒努力，在全球率先實現(xiàn)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(shù)突破，申請數(shù)項國家專利。特別難能可貴的是，該技術(shù)投入規(guī)模化試產(chǎn)成功，為商業(yè)化量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

對石墨烯包覆技術(shù)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(jié)構(gòu)和表面特性，制作適宜的石墨烯材料，采用相應(yīng)的包覆方法。具體來說，她帶領(lǐng)團隊針對正極材料和負極材料，分別開發(fā)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(xiàn)能量密度2020

“就放電容量而言，經(jīng)過500次循環(huán)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(huán)穩(wěn)定性比傳統(tǒng)三元材料分別提升了40%和50.56%。經(jīng)過1000次循環(huán)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(shù)家珍。

負極材料經(jīng)過石墨烯包裹后不僅循環(huán)穩(wěn)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(wěn)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(xiàn)，目前，她和團隊正在做相關(guān)實驗和測試，相信相關(guān)數(shù)據(jù)一定會讓人特別振奮。

在認真評審后，由國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)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，國家專家、中科院大連化學物理研究所研究員吳忠?guī)洠袊鴩H石墨烯資源產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務(wù)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(shù)達到國際先進水平，同意通過科技成果評價。”該技術(shù)應(yīng)用到車用動力電池上，就可望實現(xiàn)單體能量密度達到300瓦時/千克，而這正是《智能汽車關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實施方案》提出的2020年車用動力電池能量密度指標。

趙金平特別指出，石墨烯包裹技術(shù)和石墨烯基電池材料優(yōu)異的性能已經(jīng)通過國家動力電池創(chuàng)新中心和風帆有限責任公司的檢測，后者還出具了相關(guān)樣品的檢測報告。在技術(shù)專利方面，目前，趙金平團隊基于石墨烯的包裹技術(shù)已申請2項國家專利，還有數(shù)項專利正在申報中。

③突破源于3個方面

領(lǐng)先氣質(zhì)詮釋創(chuàng)新中國

石墨烯作為電子遷移率超高、熱傳導效應(yīng)性能超好的神奇二維碳納米材料，自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，特別是其發(fā)現(xiàn)者因此獲得2010年度諾貝爾物理學獎以來，成為耀眼的“明星”材料，將其用于提升鋰離子電池性能的研究更是不斷掀起熱潮。然而，教育部查新工作站發(fā)布的相關(guān)科技查新報告顯示，除了趙金平團隊研發(fā)成果申請的專利外，在國內(nèi)外已公開發(fā)表的文獻和專利中，尚未見有利用針對鋰離子電池正極材料的“兩相界面包覆”工藝和針對負級材料的“液氮冷萃”工藝，制備比容量大、循環(huán)穩(wěn)定性好的石墨烯改性鋰離子電池電極材料的報道。

趙金平團隊為何能取得原創(chuàng)性技術(shù)突破呢？在業(yè)內(nèi)專家看來，大體上在于3個方面。一是優(yōu)質(zhì)石墨烯供應(yīng)充足。趙金平團隊的研究占據(jù)了一個先天優(yōu)勢：所在公司北京圣盟科技是全球石墨烯制備的領(lǐng)先企業(yè)，可以為技術(shù)開發(fā)提供高品質(zhì)石墨烯支持，而這正是取得突破至關(guān)重要的基礎(chǔ)條件。否則，以品質(zhì)不高的石墨烯或者石墨粉投入科研，取得突破是難以想象的。二是長期的技術(shù)積累和不怕困難的拼搏精神。趙金平和團隊在石墨烯科研領(lǐng)域耕耘了近10年，相關(guān)包覆技術(shù)創(chuàng)新是長期摸索的必然。迎難而上、苦心鉆研的拼搏是成功的必備條件。在實驗中，由于三元材料顆粒較大，石墨烯包裹困難，她帶領(lǐng)團隊硬是攻關(guān)了近一年半，鍥而不舍，不斷嘗試，終獲成功。三是中國石墨烯科研實力居前，引領(lǐng)世界。據(jù)《經(jīng)濟日報》今年年初報道，中國是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最為活躍的國家之一，在全球石墨烯專利中，近六成來自中國。正是國內(nèi)良好的石墨烯科技創(chuàng)新環(huán)境和氛圍，培養(yǎng)造就了趙金平團隊勇于創(chuàng)新的精神和能力。

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石墨烯

石墨烯是一種由碳原子組成的六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認為是一種革命性材料。