中國石墨烯包覆改性鋰離子電極材料技術取得突破[朗讀]

如果說那薄如蟬翼、六角網格紋路質地的材料是巧奪天工的「織錦」，那麼這位八零後的女科學家就是一位新銳的時尚設計師，她以新潮的藝術思維，靈巧的雙手把織錦幻化成「夢幻華服」。她就是中國科學院金屬研究所博士、北京聖盟科技有限公司首席科學家趙金平。而她帶領團隊製作「夢幻華服」的「織錦」就是被稱作「新材料之王」的石墨烯。
7月16日上午，在北京科技會堂，趙金平向匯聚於此的業內專家展示、講解自己和團隊取得的一項重大突破：石墨烯包裹改性鋰離子電池正、負極材料技術。該技術形象地說就是「量體裁衣」，給鋰離子「穿上」她和團隊用石墨烯設計精心製作的「服裝」，從而大幅提升電池性能。
獨創兩套包覆法規模化試產成功。
通過現場展示的放大5萬倍的掃描電鏡圖，趙博士娓娓講述著石墨烯「夢幻華服」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，不僅不會破壞被包覆的三元材料，而且形成了更加穩定的結構。」。
傳統電極材料在充放電循環過程中，體積極容易增大膨出，嚴重時會導致粉化，極大影響電池性能。石墨烯具有超高導電性、柔性，將其包覆在電極材料表面，如同為其「穿上」了量身定製的「魔法衣」，既能增強電子轉移速率，提高導電性，又能約束其體積變化，大幅提高放電容量、充放電次數等性能。
近年來，國際上研究石墨烯包覆技術的學者很多，不過大多停留在學術探討層面，極少進入到具體實現技術，更不要說實現產業化。趙金平團隊正是迎著技術難題而上，通過數年持之以恆努力，在全球率先實現了石墨烯包覆電極材料尤其是三元正極材料和碳矽負極材料等的技術突破，申請數項國家專利。特別難能可貴的是，該技術投入規模化試產成功，為商業化量產奠定了基礎。
對石墨烯包覆技術的秘訣，趙金平透露說，就如同給電極材料製作衣服，要「合身」「美觀」，就必須量體裁衣、個性化定製，也就是說，要針對不同電極材料的結構和表面特性，製作適宜的石墨烯材料，採用相應的包覆方法。具體來說，她帶領團隊針對正極材料和負極材料，分別開發了「兩相介面包覆法」和「液氮冷萃法」。
電池性能大幅提升推動提前實現能量密度2020。
「就放電容量而言，經過500次循環後，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%，其循環穩定性比傳統三元材料分別提升了40%和50.56%。經過1000次循環後，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到83.87%。」趙博士對石墨烯包覆後的三原材料性能指標如數家珍。
負極材料經過石墨烯包裹後不僅循環穩定性有所提升，其容量也大幅度提高。趙金平以氧化鐵材料為例介紹說，通過「液氮冷萃法」，加入添加劑後，石墨烯均勻地包裹在氧化鐵表面，其容量提高67.1%，穩定性提高18.2%。最值得期待的是石墨烯包裹矽負極材料的性能表現，目前，她和團隊正在做相關實驗和測試，相信相關數據一定會讓人特別振奮。
整體而言，針對不同的正極材料和負極材料，趙金平團隊開發的石墨烯包裹技術已顯出優異性能：將正極材料比容量提升15%-25%，將循環1000次後的容量保持率提升30%-40%；把負極材料的容量提升40%-45%，將循環1000次後的容量保持率提升25%-40%。上述性能指標意味著，把石墨烯包裹鋰離子正負極技術應用到車用動力電池上，就可望實現單體能量密度達到300瓦時/千克，而這正是《智能汽車關鍵技術產業化實施方案》提出的2020年車用動力電池能量密度指標。
趙金平特別指出，石墨烯包裹技術和石墨烯基電池材料優異的性能已經通過國家動力電池創新中心和風帆有限責任公司的檢測，後者還出具了相關樣品的檢測報告。在技術專利方面，目前，趙金平團隊基於石墨烯的包裹技術已申請2項國家專利，還有數項專利正在申報中。
突破源於3個方面領先氣質詮釋創新中國。
石墨烯作為電子遷移率超高、熱傳導效應性能超好的神奇二維碳納米材料，自2004年被發現以來，特別是其發現者因此獲得2010年度諾貝爾物理學獎以來，成為耀眼的「明星」材料，將其用於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布的相關科技查新報告顯示，除了趙金平團隊研發成果申請的專利外，在國內外已公開發表的文獻和專利中，尚未見有利用針對鋰離子電池正極材料的「兩相介面包覆」工藝和針對負級材料的「液氮冷萃」工藝，製備比容量大、循環穩定性好的石墨烯改性鋰離子電池電極材料的報道。
趙金平團隊為什麼能率先取得原創性技術突破呢？在現場專家看來，原因大體上在於3個方面。一是優質石墨烯供應充足。趙金平團隊的研究占據了一個先天優勢：所在公司北京聖盟科技是全球石墨烯製備的領先企業，可以為技術開發提供高品質石墨烯支持，而這正是取得突破至關重要的基礎條件。否則，以品質不高的石墨烯或者乾脆石墨粉投入科研，取得突破是難以想像的。二是長期的技術積累和不怕困難的拼搏精神。趙金平和團隊在石墨烯科研領域耕耘了近10年，相關包覆技術創新與其說是來源於猶如天助的靈感，不如說是長期摸索的必然。迎難而上、苦心鑽研的拼搏是成功的必備條件。在實驗中，由於三元材料顆粒較大，石墨烯包裹困難，她帶領團隊硬是攻關了近一年半，鍥而不捨，不斷嘗試，終獲成功。三是中國石墨烯科研實力居前，引領世界。據《經濟日報》今年年初報道，中國是石墨烯研究和應用開發最為活躍的國家之一，在全球石墨烯專利中，近6成來自中國。正是在國內良好的石墨烯科技創新環境和氛圍，培養造就了趙金平團隊勇於創新的精神和能力？