因諾貝爾獎(jiǎng)而進(jìn)入大眾視野的石墨烯，是一種新型碳納米材料，由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，以及完美的量子隧道效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列特殊性質(zhì)。因?yàn)檫@些性能，它在下一代晶體管、透明導(dǎo)電膜、儲(chǔ)能技術(shù)、化學(xué)傳感、功能復(fù)合材料等與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)的領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，被認(rèn)為是一種有可能改變世界的新材料。人們對(duì)石墨烯基超級(jí)計(jì)算機(jī)的前景尤其樂(lè)觀，但從技術(shù)上來(lái)講，這種超級(jí)計(jì)算機(jī)在未來(lái)20年內(nèi)難以成為現(xiàn)實(shí)。不過(guò)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的最新研究成果表明，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有望在動(dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)。
該所動(dòng)力鋰電池技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉兆平研究員介紹說(shuō)，磷酸鐵鋰正極材料是未來(lái)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的關(guān)鍵材料，但其生產(chǎn)技術(shù)一直為美國(guó)與加拿大的專利所壟斷，現(xiàn)在中國(guó)還在為此與他們進(jìn)行法律交涉。“第一輪官司中國(guó)贏了。如果他們贏了，每生產(chǎn)一噸磷酸鐵鋰要收1萬(wàn)元人民幣的專利費(fèi)，這對(duì)我們的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)將是一個(gè)重大打擊。”
劉兆平說(shuō)：“我們從2008年起開(kāi)始石墨烯的研究，通過(guò)石墨烯與磷酸鐵鋰的融合，提升了動(dòng)力鋰電池的性能，這才繞過(guò)他們的專利壁壘。”
劉兆平認(rèn)為，石墨烯在動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域有如下兩個(gè)重要的應(yīng)用方向，并很有可能在短期內(nèi)取得重大突破。
一個(gè)方向是石墨烯復(fù)合電極材料。石墨烯憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電性能可以提升電極材料的電導(dǎo)率，進(jìn)而改善其充放電性能;同時(shí)，石墨烯“柔韌”的二維層狀結(jié)構(gòu)又可有效抑制電極材料在充放電過(guò)程中因體積變化引起的材料粉化，并增強(qiáng)與集流體間的導(dǎo)電接觸。因此，石墨烯改性能夠改進(jìn)眾多鋰電池正負(fù)極材料的電化學(xué)性能，磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合正極材料就是一個(gè)很好的例子。
另一個(gè)頗具應(yīng)用前景的發(fā)展方向則是用石墨烯作為動(dòng)力鋰電池的導(dǎo)電添加劑。初步研究結(jié)果表明，加入石墨烯導(dǎo)電添加劑后，鋰電池的大電流充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性都因此得到了極大改善，其效果甚至超出了目前高性能動(dòng)力鋰電池用的碳納米管導(dǎo)電添加劑。
但是，石墨烯要想在上述方向獲得真正的應(yīng)用，亟須攻克其低成本規(guī)模化制備的難關(guān)。現(xiàn)有的機(jī)械剝離、化學(xué)氣相沉積、外延生長(zhǎng)以及溶液相氧化還原等諸多制備方法雖然各具特色，但均難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低成本的石墨烯規(guī)模化制備。
不過(guò)，這個(gè)難題已經(jīng)被中科院寧波材料所的動(dòng)力鋰電池技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)所攻克。“由于此前石墨烯的規(guī)模化制備技術(shù)未突破，市場(chǎng)沒(méi)有批量石墨烯的供應(yīng)，所以我們團(tuán)隊(duì)從一開(kāi)始就布局了石墨烯的制備研究。”劉兆平高興地說(shuō)：“目前我們已經(jīng)突破了石墨烯低成本規(guī)模化制備技術(shù)的瓶頸，并剛剛建成一條年產(chǎn)30噸的石墨烯中試生產(chǎn)示范線。”
團(tuán)隊(duì)成員周旭峰博士進(jìn)一步介紹說(shuō)，團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng)的氧化—?jiǎng)冸x—還原制備路線，經(jīng)過(guò)近一年的集中攻關(guān)，創(chuàng)新地發(fā)展出高效的插層—膨脹—?jiǎng)冸x方法，在石墨烯低成本規(guī)模化制備技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，成功獲得了厚度2-5納米，尺寸在5-10微米，電導(dǎo)率超過(guò)500S/cm的石墨烯。相比于傳統(tǒng)的氧化—?jiǎng)冸x—還原方法，該方法不僅避免了對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)的破壞，維持了高導(dǎo)電性，而且制備工藝大大簡(jiǎn)化，成本低廉，易于放大生產(chǎn)。在目前的中試工藝條件下，石墨烯制備成本可控制在每公斤3000元內(nèi)，預(yù)期提升制備規(guī)模后，可進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，滿足其在鋰離子電池等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
石墨烯低成本規(guī)模化制備技術(shù)的突破為其在動(dòng)力鋰電池中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并有望使鋰電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車跑得更快、更遠(yuǎn)、更安全。劉兆平說(shuō)：“我們已經(jīng)開(kāi)始技術(shù)轉(zhuǎn)移，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有望在鋰離子電池領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，動(dòng)力鋰電池的性能還有很大提升空間，我們還將進(jìn)行更深入的研究。”