鐘成：一步法制備高品質石墨烯及其在鋰離子電池上的應用
時間:2015-12-30 14:36來源:中國電池聯盟網 作者:西顧
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兩大類產品，一個是石墨烯粉體，待會兒會講到機械法的問題。主要的應用方向，因為現在石墨烯作為早期的行業，包括電池類的應用上都是在一個不斷的探索中，我們也有相關的項目在進行。另外還做一些石墨烯增強的復合材料等項目。
回到石墨烯上，昨天也有一個相關的報告，大家也都對這個材料有所了解。簡單地說它是一種非常有特色的二維材料，因為它的二維性質有很多獨特的物理、電子方面的一些應用前景，也因為這個10年一個科學家得諾貝爾獎。
它處于一個叫早期的階段，而且是前景很好的行業。我們看這張圖，從10年到11年左右，全球范圍內進入產業化階段，石墨烯的基礎研究和產業化是同步進行的。14年和今年有石墨烯的產品出現，大家可能聽說過石墨烯手機，包括石墨烯電池，這都是一些利用石墨烯制備的新型產品。
這個材料在全球范圍來看，中國還是比較有優勢，因為從2010年開始，我們國內在創業新材料這個方向投入了很大的資源，所以對石墨烯行業來說，我們的基礎研究，歐美的話還是有它的底蘊在，比我們還是強一點，但是產業化方面，國內無論投入的資源、資金以及產品進度可以說超過了國外包括歐美、包括日韓他們的狀態。中間這張圖是歐洲的地圖，從2012年開始歐洲啟動了一個叫石墨烯旗艦計劃，是歐盟委員會支持的，十年內投入十億歐元，專門搞石墨烯的研究和產業化，當然它是很完整的一個項目，從基礎研究到產業化，甚至包括相關的管理項目都可以算在這里，不管怎么樣，這是全球范圍內最大的石墨烯研究計劃。
目前國內十三五，包括上個月出臺了三部委的聯合指導意見，對于石墨烯都有很好的支持，但是經費的額度沒有這個大。右下角是昨天拍下來的國內股票市場，石墨烯板塊這樣一個走勢。如果扣除掉股災的影響，可以看到石墨烯這個板塊是非常受到資本市場熱捧的。國外的石墨烯企業，美國有幾家，歐洲有幾家，其他都做的一般。最下面大家看到西班牙的，從去年開始不斷在新聞出現的充電八分鐘，能跑一千公里的新聞的源頭，這個跟咱們這個會議稍微有一些關系。
這個是國內的石墨烯相關企業的一個分布圖，基本上來說核心區域還是在江浙一帶，因為這邊民間的資本和創新意識應該還是比北方強一些。除了江浙，寧波、上海、常州、青島、廈門、深圳這些都是有相對比較多的石墨烯產業的聚集。我來自青島，當然我也要替青島吹兩句，雖然起步的比江浙晚，但是這邊發展態勢還是非常好的，如果大家有機會，可以去看一下，我覺得在北方地區最大的石墨烯基地了。
這是我們自己梳理的一個石墨烯的技術樹，可能跟大家比較有關系的是用還原的石墨烯制備電機材料，做這個行業的高校、研究所和企業非常多，另外考慮到石墨烯是非常好的二維結構，任何東西都不能穿透的，做防腐是非常好的前景。比如通過調控石墨烯的孔隙大小，這個是可以精確調控，比現在高分子膜好很多，右邊直接做下來的一套，我們叫CAD法，建的最多的是觸摸屏，也包括可穿戴設備，2012年常州已經出了用石墨烯膜做成的觸摸屏，當時還贈送給諾獎得主一臺，這個是所有的石墨烯產品做的最成熟的。另外在傳感器方面已經到產業化的前沿了。用石墨烯做電路是歐美他們最感興趣的一個方向，剛剛我提到歐洲旗艦計劃里邊，年度計劃報告有一部分篇幅講這塊，這個可能要十年甚至二十年以后才實現的。
這個不多講了，在座的都是專家，我總結了一下，14年底、15年不斷有石墨烯跟電池相結合的新聞出現，3月份這個公司發布了石墨烯手機，其中觸摸屏、電池和散熱膜用到了，另外下半年不斷有石墨烯相關的新聞出現，甚至包括華為在發布它的手機的時候，很多媒體也都預先報道用了石墨烯電池，但是實際上華為當場沒有說這件事情，事后說這個電池沒有用在最新的手機上，還在研發中。比如像去年八分鐘跑一千公里，包括最近的硅酸鹽所，這個地方我想說什么，這里頭肯定有很多商業因素在里頭，我相信在座的電池專家可能一看就理解這里頭有很多完全違背常識的地方，你用石墨烯聯盟秘書長李老師的一句話，我們還是要抱一個開放的心態，扣除掉它炒作的因素之外，石墨烯畢竟還是一個很有潛力的新材料。
到今天的主題，總結一下石墨烯在各種現在的電池，包括鋰電包括鉛酸，這樣一些傳統電池里，都能夠起到一定的作用。當然不見得像新聞講的那樣，實際的作用還是存在的，最實際的把石墨烯作為導電添加劑，這個我們公司也在做，主要作用是降低內阻，提高導電性、安全性，另外我們跟軍共的動力廠合作也是希望通過加入石墨烯來降低它充電的溫度。
另外也有人提到用石墨烯直接來做電流收集的方面，如果做超級電容器的話不僅僅添加劑可能做主要的電機材料成分，這個也有人在做。最后一個就是硅負極，理論能量密度比碳提高十倍，但是膨脹是很麻煩的，提出用石墨烯，像一塊布一樣把硅包起來，不要脹的太厲害，這個也是未來的方向。
大家可能知道石墨烯這個材料很好，但是最大的問題是太貴了，去年的時候，市場上石墨烯還可能要賣到一千塊錢一個，今年情況要好很多，幾千塊錢一公斤，甚至一兩塊錢一公斤都可以拿到了，但是它依然是一種非常昂貴的材料，我們希望在這個制備上做這么一個工作，通過一部機械剝離的辦法，這樣可以直接得到高品質的石墨烯，大大降低它的成本，能夠把它應用在類似電池領域的時候，這個成本如果能夠降低它是可以打規模推廣開，比如說這個是我們的原理圖，就是用這種辦法加入一些化學試劑在24小時的時候給它剝離開，右邊是電機照片，這個是高度的測量，從這個FIM來看，它的厚度能夠控制在五層左右。
這是一些檢測的結果，可以看到采用這種簡易的辦法，就可以得到非常好的性能的石墨烯，我們用紅外，用XRD等等方法進行了檢測，實驗證明這種一步法制備的石墨烯，整個的平面結構保持的比較好，不像氧化，它整個的過程對于結構破壞比較厲害，這種方法除了邊緣以外，它的內部六元環保持比較好，導電性比較好，缺陷是比較好的。左下角這個圖就是拉曼，就是驗證它的缺陷的，這兩個峰的比值就是說明缺陷比較少的。
還是在實驗室，我們用鐵電機材料跟石墨混合直接制備得到的電機材料，進行了初步的驗證，結果還是不錯的，這個我就不是專家了，這是引用劉老師的一個結論。簡單地說一下，我們采用這種一步法能夠得到低成本、高性能的石墨烯，作為導電添加劑，石墨烯加入鋰離子電池中，可以提高循環壽命、充放電倍率，還是有很好的前景。
我的匯報就到這，謝謝。
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