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对话陈成猛:纯石墨烯的超级电容器只是停留在实验室阶段

日前,由中国粉体网联合江苏省纳米技术产业创新中心、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所主办的“2018 低维碳纳米材料制备及应用技术交流会”在苏州圆满落幕。会议结束后我们有幸采访到中科院山西煤化所的陈成猛副研究员,就碳材料的应用以及未来发展进行了深入的交流。



中国粉体网记者:石墨烯在超级电容方面有什么突出的优势?

陈成猛副研究员:首先石墨烯是一种二维的纳米碳材料,所有的碳原子都在石墨烯的表面,是一种高度表面化的材料,表面积是很开放的,这一点和超级电容的储能原理是高度匹配的,超级电容器我们都知道它也是一种依靠碳材料的表面形成的双电层来储能的一种技术,所以石墨烯的二维结构是非常有利的;另外就是石墨烯面内的sp2共轭结构使它具备了非常高的电导率,即电子在石墨烯片上可以高速的迁移,而且迁移的阻力很小,这一点也和超级电容器的原理很匹配。作为电极来讲,首先就是要考虑电子传输的问题,如果我们想获得高功率的超级电容器的话,必然希望超级电容器极片的内阻尽可能地低,而石墨烯能很好的提升电极片的电导率,所以我认为这两点是石墨烯在超级电容应用领域的主要优势。



中国粉体网记者:石墨烯的优势很明显,但是离实现产业化还有多远?

陈成猛副研究员:刚才提到的石墨烯的优势是从纳米尺度上的优势,但是在宏观应用的时候又是另外一种情况。事实上我们做成的极片包括超级电容器都是宏观尺度上的应用,可能是厘米、几十厘米的一个器件,里面有大量的石墨烯片,石墨烯片与石墨烯片之间的协同效应非常关键,通常要把纳米尺度上的性能在宏观材料上得以体现需要解决石墨烯与石墨烯之间的搭接电阻的问题,另外石墨烯作为纳米材料,它的堆密度和体密度通常是比较低的,所以从原理上讲是非常好,但是超级电容器不仅质量比容量要高,而且体积比容量也要高,很多纳米材料在这方面都是短板。因为纳米材料一般都是密度很低,轻飘飘的。在铝箔或铜箔表面涂同样厚度的一层石墨烯材料和涂传统的活性炭相比,极片的涂布面密度小很多。我们希望得到高面密度的电极,这样在同样大小的器件里储能能力越大,石墨烯在这方面做得并不好。目前来说纯石墨烯的超级电容器只是停留在实验室阶段,只在扣式电容里有应用,还没有实现做成软包或卷绕式的商品化的电池器件。石墨烯现在可以作为导电填料与活性炭复配使用,中科院山西煤化所从材料到器件到应用整个创新链已经打通,形成了石墨烯在超级电容领域的一个示范,做成了一些软包的或卷绕式的超级电容器器件,添加1%-2%的石墨烯就可以大幅度提升超级电容器的应用性能,功率密度和能量密度大概平均能提升25%-30%。


中国粉体网记者:在您的报告中还提到了多孔碳的应用,石墨烯的优势这么突出,为什么还要研究多孔碳?

陈成猛副研究员:多孔碳是一种传统的碳材料,例如用活化法做出来的叫活性炭,这其实是同一个概念,包括刚才提到的电容碳。目前来看商业化的主流材料是多孔碳或者叫特种活性炭。这种材料短期之内石墨烯是无法取代的,因为它有很多优异的性能,比如很高的压实密度、较低的成本、很高的体积比电容和质量比电容。但是这种材料目前还没有实现国产化,主要依赖于从日本和韩国进口,日本可乐丽公司是全球电容碳主要的供应商。所以我们既要关注一些新的材料,比如石墨烯、碳纳米管和富勒烯等低维碳纳米材料,同时也要关注一些传统的碳材料,比如碳纤维、炭黑和活性炭,其实这些领域里都有一些高端的品种,对接一些高端的应用,像储能领域、航空航天领域的应用。这些材料的市场已经相对成熟,附加值也非常大,而且纳米碳材料将来也不会把它完全替代掉,我们不仅需要纳米碳材料,我们还需要微米的,甚至毫米的宏观碳材料,不同尺度的碳材料要相互配合应用。国内现在很多传统材料的高端应用还没有实现国产化,所以我们既要把握科学的前沿,同时还需要有工匠精神,将传统材料做到世界领先水平。



非常感谢陈成猛副研究员的阐述,对石墨烯材料的研究还将继续吸引大批的研究人员,我们也希望看到未来石墨烯能实现产业化,同时也不要将那些传统碳材料抛之脑后。没有不好的材料,只有没开发出来的技术。加快技术创新,才能引领经济发展。