中国科学院炭材料重点实验室:致力于高性能和多功能炭材料的应用基础研究


来源:中国粉体网   黑金

[导读]  中国科学院炭材料重点实验室于2002年10月建成并对外开放,结合炭材料学科发展趋势和国家需求,实验室的研究定位是从事高性能和多功能炭材料的应用基础研究。

中国粉体网讯




实验室简介


炭材料重点实验室的前身是中国科学院山西煤炭化学研究所炭材料研究室。该研究室创建于1962年,是我国最早从事新型碳材料研发的机构之一。中国科学院炭材料重点实验室于2002年10月建成并对外开放,结合炭材料学科发展趋势和国家需求,实验室的研究定位是从事高性能和多功能炭材料的应用基础研究。


实验室的发展目标是:承担国家重大项目或国防军工领域用高性能炭材料的研究开发工作,阐明影响炭材料高性能化和多功能化的相关科学基础问题,攻克国家经济发展和国防建设急需的高性能炭材料制备过程中的共性和关键技术;培养炭材料学科领域的高级人才;促进高性能炭材料的产业化发展。


实验室瞄准炭材料学科国际前沿,以满足国民经济和国家高技术需求为牵引,以阐明高性能和多功能炭材料制备过程中的相关科学基础问题、攻克关键和共性技术为研究重点,以形成自主知识产权和推动新型炭材料的实用化为最终目标。实验室长期坚持多学科的交叉与融合,培养和组建了一支高分子化学、高分子物理、有机化工、化学工艺和材料科学交叉、理论和实验以及工程设计相结合的创新型研究队伍,注重新型炭材料的应用基础研究,尤其是针对新型炭材料的高性能化和多功能化的途径探索和机理研究。


研究方向


主要研究方向包括高性能碳纤维及其复合材料、特种炭/石墨材料、功能炭材料、石墨烯及新能源材料的制备与应用等。


高性能碳纤维


原料纯化过程中的物理化学反应

共聚物合成中共聚组成在链内、链间的分布以及对分子量及其分布的影响

聚合物结构与可纺性相关性及根据聚合物结构预测其可纺性的规律

原丝形成过程中凝固浴扩散动力学

预氧丝中氧原子的径向分布与其均质化的相关性

炭纤维制备过程中杂质的迁徙行为及缺陷的产生和演变规律

异形截面炭纤维的制备科学及其功能特性研究

等离子体技术用于制备高性能石墨纤维的研究


特种炭/石墨材料


导热/隔热炭基复合材料的结构设计及其制备

多组元/多相体系复合过程中物理化学相容性

多组元/多相体系复合过程中的界面结合机制的研究

炭基复合材料中各组元协同效应的研究

极端环境下的炭基复合材料服役行为和失效机制的研究


多孔炭材料


不同形态、不同结构多孔炭材料的制备条件与其结构的相关性

多孔炭材料在吸附分离和能量储存方面的应用基础研究

多孔炭材料结构与其性能的相关性研究

多孔炭材料制备工程化放大技术研发


石墨烯制备与应用


石墨烯的批量化低成本制备技术,如电化学非氧化剥离石墨(矿)制备石墨烯的绿色低成本新技术、氧化石墨烯及其高比表面积的石墨烯的中试放大技术

石墨烯新材料在储能、热管理、电催化和功能材料等领域中的应用

石墨烯修饰与功能化

石墨烯新材料的构效关系

石墨烯优异的微观性能在宏观体中能充分体现的科学问题


研究队伍


实验室本着“引进急需人才、用好现有人才、稳定关键人才、培养未来人才”的原则,形成了知识结构合理、学术气氛活跃、学风严谨的以学术带头人和科研骨干为主体的固定人员和以硕、博士研究生为主体的流动人员所构成的研究队伍。中国科学院炭材料重点实验室现任主任为宋燕研究员,现任学术委员会主任为成会明院士。




科研进展


自实验室建设以来,实验室的学科建设呈现良好的发展态势。已形成了任务带学科、学科促任务的良性局面。实验室相继承担了来自国家科技部、国家自然科学基金委、总装备部、国防科工局、中国科学院、山西省科技厅、太原市科技局、企业横向委托等多项研制任务。近些年来,在高性能炭材料的研究方面获得多项研究成果。在一些重要研究方向已达到国内领先或国际先进水平,如聚丙烯腈基高性能炭纤维、高导热炭基复合材料、高比表面积活性炭、石墨烯的规模化制备。


“淀粉基超级电容活性炭批量化制备技术”通过中国石油和化学工业联合会科技成果评估


评估委员会专家经质询和讨论,一致认为:该技术有望解决困扰我国超级电容器行业的瓶颈问题,实现超级电容活性炭的国产化,整体达到了国际先进水平。该技术解决了淀粉基电容炭中试制备过程中的连续活化、深度纯化和表面脱氧等技术难题,为电容炭产业化奠定了坚实的技术基础,取得的主要创新点:一是建成国际首条十吨级淀粉基超级电容活性炭中试线。二是优化了淀粉低温化学交联工艺,将淀粉多糖结构转变成稳定性更高的芳香结构。针对交联过程热量累积,率先采用推板式交联炉,有效避免集中放热,提高了交联工艺安全性。三是发明了活化剂重结晶成型预处理工艺,成功解决了氢氧化钾高温“粘壁”问题,形成了连续碱活化制备电容炭新工艺。同时,该技术已获授权中国发明专利2项,主持制定IEC国际标准2项(IEC/TS62565-5-1、IEC/TS62565-5-2),所开发的产品已在宁波中车、锦州凯美和上海奥威等超级电容器企业试用。最后,评估委员会专家建议加速推进该技术的产业化。




在锂离子电池负极用碳及硅/碳材料研发方面取得多项进展


近年来,宋燕研究员及其带领的科研团队,通过对碳基及硅基负极材料进行结构设计,有效构筑了一系列电极材料,实现了材料比容量、循环稳定性和倍率性能的显著提升。基于商业负极材料石墨在结构以及容量方面的局限性,团队进行了多方尝试。以天然石墨鳞片以及沥青焦炭为原料,通过热压烧结的方式制备了石墨碳与多孔纳米碳共存的镍掺杂中空纳米碳负极材料(Carbon,2013,64:537-556; Electrochimica Acta, 2013,112:394-402;专利授权号201210363338.4)。随后,团队以沥青为原料通过加压缩聚的方式制备了类石墨片层碳,此材料作为负极材料时不仅具备石墨的强稳定性,其容量值也得到了提升(专利申请号202010121400.3)。针对硅基负极材料循环稳定性差的特性,团队利用静电作用在硅纳米颗粒表面吸附阳离子表面活性剂来实现核壳双层保护,减弱并限制硅膨胀时应力对材料结构造成的破坏(Chemistry-A European Journal,2017,23:2165-2170;专利授权号 201610580560.8和201610580586.2)。为进一步调控硅基双包覆结构的性能,采用硬模板法引入空腔来缓和硅的体积变化,实现提高容量以及循环稳定性双层目标(Electrochimica Acta,2019,295:75-81)。


在储能炭材料与器件方面取得系列进展


近年来,在储能炭材料与器件研发方面,陈成猛研究员带领团队取得了系列进展。团队解决了储能炭制备与应用中一系列科学难题,通过产学研用协同创新,突破石墨烯、电容炭和球形石墨等储能炭材料规模化生产核心技术,设计组装了超级电容器、锂离子电池和锂硫电池等储能器件,形成电动汽车、道钉灯和无人机等应用示范。通过打造“料-材-器-用”创新链,建立标准体系,促进了我国储能炭材料从“做好”向“用好”的跨越,为相关产业高质量发展贡献了力量。


在柔性多孔纳米炭纤维无纺布制备及应用基础研究方面取得进展


宋燕研究员团队以煤液化残渣中的沥青烯或前沥青烯为碳源,经过静电纺丝结合不熔化、炭化处理成功制得柔性多孔纳米炭纤维无纺布,采用硝酸预处理结合空气不熔化、纺丝原液中添加苯甲酸等方法有效解决了不熔化过程中纤维间的融并现象。阐明了电纺、不熔化、炭化等过程产物结构和形貌的演变规律,并探索了该无纺布在超级电容器、锂离子电池和钾离子电池等新型电化学储能器件中的应用(ACS Sustainable Chem Eng, 2019, 7 (6): 5742-5750;Energy Fuels, 2020, 34 (2): 2445-2451,专利申请号:201711362163.4, 201810491436.3, 201810641716.8, 201810641705.X和201811315964.X)。


在低值煤沥青构筑高性能电容炭方面取得多项重要进展


近年来,702课题组李开喜研究员及其带领的科研团队,通过对沥青分子精准设计,无模板构筑了一系列纳米结构电极材料,组装了高性能柔性全固态电容器和非对称电容器,实现其能量密度和循环稳定性的显著提升,且交联自组装策略还成功应用于沥青基球状活性炭生产线上,取得了基础和应用双突破。


信息来源:中国科学院炭材料重点实验室

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