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华人科学家在美遭陷害,因“石墨烯超级电容器”技术?


来源:中国粉体网   平安

[导读]  随着人们对石墨烯各项性能,尤其是电性能研究的深入,有研究者预测,在众多应用中,石墨烯作为超级电容器的电极材料有可能成为目前石墨烯最具突破性的应用。

中国粉体网讯  近日,美国《彭博商业周刊》记录了一位华人科学家在美国开创科技公司后遭受美国政府不公正调查,最终决心离开美国的故事,其中包括失败的陷害,机场逮捕以及毫无根据的儿童色情搜索。

上述记录表明,该华人科学家名为赵鑫,曾于2012年在博士期间开发出一种石墨烯超级电容器,并获得了能源研究领域的世界顶级奖项。

据公开资料显示,赵鑫于1997年毕业于中南工业大学材料系(后更名为中南大学),2000年获得清华大学材料学硕士,2006年获美国威廉和玛丽大学应用科学博士学位。2007至2013年,作为全职科学家,任职美国能源部下属“杰弗森国家实验室”。因基于直立型石墨烯的超级电容方面的发明成果,获得世界技术(能源类)奖,现任深圳溢鑫科技研发有限公司总经理。

据中国粉体网小编的了解,2016年,高性能石墨烯及其复合材料作为大容量超级电容器储能装备重点攻关技术被列入《中国制造2025-能源装备实施方案》。随着人们对石墨烯各项性能,尤其是电性能研究的深入,有研究者预测,在众多应用中,石墨烯作为超级电容器的电极材料有可能成为目前石墨烯最具突破性的应用。

石墨烯在双电层电容器和赝电容电容器中的应用

超级电容器在新能源汽车、发电、航空航天、信息技术等领域具有广阔的应用前景,因其具有超大的容量(1~10Wh/kg)、高功率密度(1000~2000W/kg)、长循环寿命(>100000次)、充放电效率高(1~30 s)、使用温度宽等特点,还对环境无污染,且具有较高的安全性能,因而在近些年引起了世界的广泛关注。

超级电容器从储能机理上可分为双电层电容器和赝电容电容器。双电层电容器是一种通过将电荷物理地存储在电极/电解质界面实现能量储存的超级电容器,是工业中应用最广泛的电容器。其特殊的储能原理使其具有高功率密度,可快速充放电的优势;同时充放电过程不产生氧化还原反应热,具有极高的循环寿命。

具有高比表面积和高化学稳定性的碳材料是双电层电容器的主要电极材料。活性炭由于具有高表面积、高填充密度和低成本等优点,是工业上应用最广泛的电极材料。然而,由于富含高比例的微孔结构,高电流密度下双电层电容器的电解液离子很难到达活性炭的内表面微孔,影响高倍率下的能量密度。

石墨烯具有完全外露的表面,有利于离子快速输运至其表面构建双电层电容。同时,石墨烯(sp2杂化碳)相比活性炭(sp3杂化碳)具有更高的电导率和更好的结晶度,有利于电子的快速转移和电化学稳定性,对于下一代离子液体系的高电压窗口双电层电容器具有重要的意义。

赝电容电容器是通过电极活性物质(过渡金属氧化物或导电聚合物)发生高度可逆的化学吸附脱附或者氧化还原反应而实现能量储存的。由于储能过程不仅发生在电极活性物质表面,并且可以深入材料体相准二维空间,因而可获得比双电层电容器高的容量,但其快充快放特性及循环稳定性相较于双电层电容器而言欠佳。与电池类似,赝电容电容器的电极活性物质导电性差,石墨烯作为导电剂的添加,可降低器件电阻。同时石墨烯还可以起到分散所负载的赝电容电极材料的作用,从而在协同导电与分散两方面,提高器件循环稳定性。

基于储能机理的不同,双电层电容器在可快速充放电、循环寿命长上有更好的表现,已实现了产业化生产及应用。且石墨烯在双电层电容器中除了可作为导电介质外,更被认为是潜在的电极替代材料。

石墨烯应用于双电层电容器存在的问题

在应用于双电层电容器中,尤其是考虑产业化应用,石墨烯也存在一些亟待克服的问题。

纯度问题:无论是化学气相沉积法(CVD)还是液相剥离法均可能引入金属杂质和含氧官能团导致产气,使得电极材料和集流体间的接触变差。

层间堆叠问题:在构建电极宏观聚集体的过程中,石墨烯极易发生层间堆叠而损失有效比表面积。寻求克服或削弱层间堆叠的方法,是解决石墨烯应用于双电层电容器的关键步骤。



图:通过将石墨烯和碳纳米管物理混合,削弱石墨烯片层间的面-面接触


吸液量问题:石墨烯以介孔结构为主,同时密度极低(仅为空气的3倍),用作双电层电容器电极材料时的吸液量高达其自身质量的2~100倍,当沿用传统的先制浆后涂布的电极制备工艺,在控制电极厚度相同的情况下,烘干后的石墨烯基电极片的密度显著低于活性炭基电极片。

离子输运问题:离子输运问题是石墨烯密实化后必然要解决的问题。据研究报道,解决此问题的思路之一是制备定向排列的石墨烯结构,构建离子输运的“高速公路”。



图:兼具大比表面积、高效的电子离子传递通道和高的堆积密度的多孔石墨烯骨架材料

综上所述,石墨烯在用作主体电极材料的双电层电容器领域,仍存在纯度较低、层间易堆叠、吸液量较大等工程问题,尤其在离子液体体系的双电层电容器中,大尺寸、高黏度离子的输运问题仍十分严峻。石墨烯-离子液体系双电层电容器(3.5~4V)替代目前已商业化的活性炭-有机系双电层电容器(2.7~3V)仍需要长期的技术攻关。

另据学者估计,未来面向双电层电容器市场的高端石墨烯的中国需求量每年在百吨级至千吨级。未来石墨烯在混合动力电池中的应用需求量将比在纯动力电池的需求量更大。石墨烯的产量、品质与性价比将会随着这些行业的蓬勃发展,进一步得到提升并逐步接近市场成熟化。

资料来源:

崔超婕,田佳瑞,杨周飞等.石墨烯在锂离子电池和超级电容器中的应用展望.材料工程

滕瑜,陈福亮,张文莉等.石墨烯突破性应用之超级电容器.云南冶金

彭博商业周刊、中南大学材料科学与工程学院。

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