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山西煤化所在儲能炭材料與器件方面取得系列進展

時間:2020-04-10 作者:專家委 點擊:101

近年來,在儲能炭材料與器件研發方面,研究員陳成猛帶領中國科學院山西煤炭化學研究所709組取得了系列進展。團隊解決了儲能炭制備與應用中一系列科學難題,通過產學研用協同創新,突破石墨烯、電容炭和球形石墨等儲能炭材料規;a核心技術,設計組裝了超級電容器、鋰離子電池和鋰硫電池等儲能器件,形成電動汽車、道釘燈和無人機等應用示范。
 
  超級電容器是通過電極與電解質之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件。當電極與電解液接觸時,由于庫侖力、分子間力及原子間力的作用,使固液界面出現穩定和符號相反的雙層電荷,稱其為界面雙層。把雙電層超級電容看成是懸在電解質中的2個非活性多孔板,電壓加載到2個板上。加在正極板上的電勢吸引電解質中的負離子,負極板吸引正離子,從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器。雙電層電容器根據電極材料的不同,可以分為碳電極雙層超級電容器、金屬氧化物電極超級電容器和有機聚合物電極超級電容器。
 
  鋰離子電池是一種二次電池(充電電池),它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態;放電時則相反。
 
  鋰硫電池是鋰電池的一種,截止2013年尚處于科研階段。鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的一種鋰電池。單質硫在地球中儲量豐富,具有價格低廉、環境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池,其材料理論比容量和電池理論比能量較高,分別達到 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg,遠遠高于商業上廣泛應用的鈷酸鋰電池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一種對環境友好的元素,對環境基本沒有污染,是一種非常有前景的鋰電池。
 
  從生物質和高分子等有機前驅體向無機炭材料轉化的結構演變機制,及材料微觀結構與電化學性能間的構效關系,是儲能炭可控制備與定向應用的共性關鍵科學問題。
 
  團隊闡釋了淀粉分子交聯過程中主/側鏈競爭反應及碳碳鍵斷裂和鍵合機制,為生物質向電容炭的可控轉化提供了科學依據(ACS Sustainable Chem. Eng., 2019, 7, 14796-14804);研究了生物質和酚醛樹脂基電容炭或硬炭在熱還原時含氧官能團的演變路徑,并與其超級電容器和鋰離子電池等性能建立關聯,為儲能炭材料表面結構優化指明了方向(J. Energy Chem., 2020, JECHEM1233; Electrochim. Acta, 2020, 337, 135736-11; J. Energy Chem., 2018, 27, 439-446);闡釋了磷酸活化對多孔炭表面磷摻雜的化學機制,并發現了其對電化學界面的穩定效應,為高電壓電容炭的表面結構設計提供了新思路(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 11421-11430; Electrochim. Acta, 2019, 318, 151-160; Electrochim. Acta, 2018, 266, 420-430.)。
 
  團隊還就生物質基電容炭和酚醛樹脂基碳氣凝膠領域國內外科研進展和發展趨勢進行了綜述(J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 16028-16045; Micropor. Mesopor. Mater., 2019, 279, 293-315.)。
 
  陳成猛團隊與晉能集團、美錦集團和山西三維等企業合作,先后攻克噸級氧化還原石墨烯、十噸級生物質基電容炭和噸級煤基球形石墨中試技術,打通全套工藝流程,研制配套關鍵裝備,實現了相關材料從“樣品”向“產品”的跨越。團隊石墨烯中試制備技術通過山西科技成果鑒定,產品已推廣應用于中電科18所、航天科技42所、中國航發北京航材院等國內外100余家企業和研究機構。電容炭中試產品已順利通過寧波中車、錦州凱美和上海奧威等國內電容器領軍企業的應用評測。近期,團隊已與美錦能源合作啟動年產500噸電容炭產業化一期工程,預計2021年產出批量化合格產品。
 
  為服務儲能炭材料精準高效研發,709組建成了國際先進的電化學儲能器件組裝與評測平臺。依托自主炭材料,設計組裝了超級電容器、鋰離子電池和鋰硫電池等先進儲能器件,并形成道釘燈、電動汽車、無人機等應用示范。通過整合上下游資源,實現了從“單元配套”向“系統集成”的過渡,在反饋指導材料工藝優化的同時,實現了儲能行業需求的精準對接。目前,團隊已與寧波中車、寧德時代、沙特基礎工業公司、廈門大學、中科院空天信息創新研究院和大連化學物理研究所等單位建立密切合作關系。
 
  資料來源:百科、山西煤炭化學研究所

(來源:專家委 )

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