宗軍：基于高密度化石墨烯的鋰離子電容器
5月24日，CIBF2018 第十三屆中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)展覽會(huì)在深圳會(huì)展中心開幕。化學(xué)與物理電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津電源研究所宗軍博士在技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。以下是演講正文：
我講一下我們組研究的具體部分工作，報(bào)告的題目是基于高密度化石墨烯的鋰離子電容器。報(bào)告主要是從這五個(gè)方面展開，首先給大家介紹一下背景，然后是介紹我們對(duì)石墨烯材料制備的相關(guān)研究，這部分主要是分兩部分，一部分是普通化石墨烯，另一部分是高密度化石墨烯的制備，再一個(gè)就是我們的機(jī)理研究，另外是機(jī)械研究。
對(duì)于石墨烯材料來(lái)說(shuō)，大家都耳熟能詳了，學(xué)化學(xué)的人都知道結(jié)構(gòu)決定形式，它的性質(zhì)非常獨(dú)特，超大的比表面積，光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)都非常好。制備方法，無(wú)非就是兩種，從上而下和從下而上。從上而下理解很簡(jiǎn)單，以石墨為原料，經(jīng)過(guò)剝層得到石墨烯。
在很多電池體系都有一定的應(yīng)用潛力，實(shí)際能不能應(yīng)用感覺還不是特別成熟。我在這兒只評(píng)價(jià)鋰離子電池和電容器的應(yīng)用，在鋰離子電池當(dāng)中無(wú)非就兩種，一種是導(dǎo)電，這個(gè)問(wèn)題就是性價(jià)比問(wèn)題。另一個(gè)是作為負(fù)極，可能缺點(diǎn)更加明顯，因?yàn)槊芏群艿停也环€(wěn)定效率很高，作為負(fù)極材料是非常忌諱的一點(diǎn)。我個(gè)人認(rèn)為石墨烯鋰離子電池的應(yīng)用不是很成熟，我們看好的是在電容器的應(yīng)用。如果電容器當(dāng)中低正極密度解決不了也無(wú)法真正的應(yīng)用，而我們的研究工作正是基于這一點(diǎn)。
我們選的體系是鋰離子電容器體系，為什么選這個(gè)體系？因?yàn)樗刑厥獾姆磻?yīng)機(jī)理，通過(guò)引入性能較高的材料，會(huì)有這三個(gè)特點(diǎn)，高能量、高功率以及長(zhǎng)壽命，可以說(shuō)是一種高能量型的電容器體系，這種體系無(wú)論是軍口還是民口有一定的應(yīng)用空間。
高密度石墨烯材料制備，這是我們開發(fā)的工藝，特點(diǎn)是快速、低成本，所制備的石墨烯材料，經(jīng)過(guò)表蒸（）石墨烯材料屬于非系談（諧音），基本充分剝離了，密度太低，不可能直接用在電極材料當(dāng)中應(yīng)用。
另一個(gè)測(cè)試也是證明制備材料是高品質(zhì)的，短程有序、長(zhǎng)城無(wú)須的材料（諧音），現(xiàn)在我們的制備能力跟山西煤礦合作，可以達(dá)到工藝的水平。材料雖好，但是密度太低，后續(xù)我們開發(fā)了高密度化的工藝，這個(gè)工藝跟預(yù)處理的瓜藤石墨烯處理以后，工藝條件非常簡(jiǎn)單，在一般實(shí)驗(yàn)室可以制備20次以上批次。
經(jīng)過(guò)高密度化處理以后并沒(méi)有改變瓜藤石墨烯非驚嘆（諧音）的特性，無(wú)序?qū)拥膭蓬^度（諧音）增加了。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，孔分布以及孔尺寸大小對(duì)材料的性能是至關(guān)重要的，如果孔洞適合電能充分進(jìn)入，可以充分的發(fā)揮性能。因?yàn)闆](méi)有靠密度化處理使能量降低，反而能量有所提高，這是我們最終的目標(biāo)。
經(jīng)過(guò)工藝的調(diào)試，還有原料的篩選，最終的密度可以做到0.7公斤/升，可以達(dá)到電極材料的指標(biāo)。為了很好的理解反應(yīng)過(guò)程，我們對(duì)機(jī)理做了分析，文獻(xiàn)中普遍認(rèn)為鋰離子呈現(xiàn)的部分，我們部分認(rèn)同，我們認(rèn)同（）我們認(rèn)為不但包括鋰離子的過(guò)程，還包括（）發(fā)現(xiàn)能量急劇下降，這個(gè)容量衰減是由缺陷引起還是光亮團(tuán)引起的，通過(guò)測(cè)試無(wú)法確定，所以我們做了電子（22）將石墨烯材料做適度的氧化，能量可以提高。證明了在這個(gè)過(guò)程中，能量發(fā)揮的主要因素是少量的光亮團(tuán)，但不是那些缺陷，但缺陷是有一定作用的。
結(jié)合一些鋰化和電化學(xué)的表征，在石墨烯單獨(dú)反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中，不但包括鋰離子的洗脫副還包括陰離子的洗脫副（諧音），我們進(jìn)行了詳實(shí)的測(cè)試證明我們的猜想。
我們開發(fā)了低溫（）是非常有效的普遍石墨烯材料的有效方法，制備能力可以達(dá)到公斤級(jí)。密度可以達(dá)到0.7以上，能量非常可觀，影響性能的是孔結(jié)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)，以及少量的光亮團(tuán)（諧音），對(duì)于機(jī)理方面，在石墨烯的（）同樣涉及到陰離子的洗脫副（諧音）的過(guò)程。最后我們做的實(shí)驗(yàn)室和其間容量密度可以突破40瓦時(shí)/公斤。
提問(wèn)：電容器可以做到40瓦時(shí)/公斤以上，還是不錯(cuò)的結(jié)果，用高密度的石墨烯，前面工藝相對(duì)比較復(fù)雜，我們有膨脹石墨，它的效果怎么樣？
宗軍：還是有序的狀態(tài)，層間距更打了，能量沒(méi)有那么高，相當(dāng)于一張撕碎了再壓實(shí)。
提問(wèn)：這個(gè)工作很有趣的一點(diǎn)就是，比能量跟功率之間的（）你覺得最好到哪里？是40瓦時(shí)/公斤可以達(dá)到極限還是？
宗軍：不是極限，這個(gè)實(shí)驗(yàn)只是初步的，可以進(jìn)一步提高。
提問(wèn)：孔序影響你的功率，但是你的能量會(huì)提高，所以中間一定是一個(gè)c of，最好的極限在哪里？
宗軍：我感覺40瓦時(shí)/公斤不是極限，功率可以突破萬(wàn)瓦/公斤，40瓦時(shí)/公斤不太急進(jìn)的說(shuō)可以達(dá)到50瓦時(shí)/公斤。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審閱）
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