如果說(shuō)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(xué)家就是一位新銳的時(shí)尚設(shè)計(jì)師，她以新潮的藝術(shù)思維，靈巧的雙手把織錦幻化成“夢(mèng)幻華服”。她就是中國(guó)科學(xué)院金屬研究所博士、北京圣盟科技有限公司首席科學(xué)家趙金平。而她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)制作“夢(mèng)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(huì)堂，趙金平向匯聚于此的業(yè)內(nèi)專家展示、講解自己和團(tuán)隊(duì)取得的一項(xiàng)重大突破：石墨烯包裹改性鋰離子電池正、負(fù)極材料技術(shù)。該技術(shù)形象地說(shuō)就是“量體裁衣”，給鋰離子“穿上”她和團(tuán)隊(duì)用石墨烯設(shè)計(jì)精心制作的“服裝”，從而大幅提升電池性能。

獨(dú)創(chuàng)兩套包覆法  規(guī)?；嚠a(chǎn)成功

不同形狀的石墨烯納米材料示意圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)展示的放大5萬(wàn)倍的掃描電鏡圖，趙博士娓娓講述著石墨烯“夢(mèng)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(huì)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(guò)程中，體積極容易增大膨出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致粉化，極大影響電池性能。石墨烯具有超高導(dǎo)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(qiáng)電子轉(zhuǎn)移速率，提高導(dǎo)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(lái)，國(guó)際上研究石墨烯包覆技術(shù)的學(xué)者很多，不過(guò)大多停留在學(xué)術(shù)探討層面，極少進(jìn)入到具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)，更不要說(shuō)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。趙金平團(tuán)隊(duì)正是迎著技術(shù)難題而上，通過(guò)數(shù)年持之以恒努力，在全球率先實(shí)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(fù)極材料等的技術(shù)突破，申請(qǐng)數(shù)項(xiàng)國(guó)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(duì)石墨烯包覆技術(shù)的秘訣，趙金平透露說(shuō)，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(gè)性化定制，也就是說(shuō)，要針對(duì)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(lái)說(shuō)，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)針對(duì)正極材料和負(fù)極材料，分別開發(fā)了“兩相界面包覆法”和“液氮冷萃法”。

電池性能大幅提升  推動(dòng)提前實(shí)現(xiàn)能量密度2020

“就放電容量而言，經(jīng)過(guò)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(guò)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(dá)到83.87%。”趙博士對(duì)石墨烯包覆后的三原材料性能指標(biāo)如數(shù)家珍。

負(fù)極材料經(jīng)過(guò)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(shuō)，通過(guò)“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(fù)極材料的性能表現(xiàn)，目前，她和團(tuán)隊(duì)正在做相關(guān)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，相信相關(guān)數(shù)據(jù)一定會(huì)讓人特別振奮。

整體而言，針對(duì)不同的正極材料和負(fù)極材料，趙金平團(tuán)隊(duì)開發(fā)的石墨烯包裹技術(shù)已顯出優(yōu)異性能：將正極材料比容量提升15%-25%，將循環(huán)1000次后的容量保持率提升30%-40%；把負(fù)極材料的容量提升40%-45%，將循環(huán)1000次后的容量保持率提升25%-40%。上述性能指標(biāo)意味著，把石墨烯包裹鋰離子正負(fù)極技術(shù)應(yīng)用到車用動(dòng)力電池上，就可望實(shí)現(xiàn)單體能量密度達(dá)到300瓦時(shí)/千克，而這正是《智能汽車關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實(shí)施方案》提出的2020年車用動(dòng)力電池能量密度指標(biāo)。

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(guò)國(guó)家動(dòng)力電池創(chuàng)新中心和風(fēng)帆有限責(zé)任公司的檢測(cè)，后者還出具了相關(guān)樣品的檢測(cè)報(bào)告。在技術(shù)專利方面，目前，趙金平團(tuán)隊(duì)基于石墨烯的包裹技術(shù)已申請(qǐng)2項(xiàng)國(guó)家專利，還有數(shù)項(xiàng)專利正在申報(bào)中。

突破源于3個(gè)方面  領(lǐng)先氣質(zhì)詮釋創(chuàng)新中國(guó)

石墨烯作為電子遷移率超高、熱傳導(dǎo)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(lái)，特別是其發(fā)現(xiàn)者因此獲得2010 年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，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(bào)告顯示，除了趙金平團(tuán)隊(duì)研發(fā)成果申請(qǐng)的專利外，在國(guó)內(nèi)外已公開發(fā)表的文獻(xiàn)和專利中，尚未見有利用針對(duì)鋰離子電池正極材料的“兩相界面包覆”工藝和針對(duì)負(fù)級(jí)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(bào)道。

趙金平團(tuán)隊(duì)為什么能率先取得原創(chuàng)性技術(shù)突破呢？在現(xiàn)場(chǎng)專家看來(lái)，原因大體上在于3個(gè)方面。一是優(yōu)質(zhì)石墨烯供應(yīng)充足。趙金平團(tuán)隊(duì)的研究占據(jù)了一個(gè)先天優(yōu)勢(shì)：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)不高的石墨烯或者干脆石墨粉投入科研，取得突破是難以想象的。二是長(zhǎng)期的技術(shù)積累和不怕困難的拼搏精神。趙金平和團(tuán)隊(duì)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)新與其說(shuō)是來(lái)源于猶如天助的靈感，不如說(shuō)是長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中，由于三元材料顆粒較大，石墨烯包裹困難，她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(guó)石墨烯科研實(shí)力居前，引領(lǐng)世界。據(jù)《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》今年年初報(bào)道，中國(guó)是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最為活躍的國(guó)家之一，在全球石墨烯專利中，近6成來(lái)自中國(guó)。正是在國(guó)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(tuán)隊(duì)勇于創(chuàng)新的精神和能力。