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山西煤化所在储能炭材料与器件方面取得系列进展

2021-08-12 0人读过

山西煤化所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,研究员陈成猛带领中国科学院山西煤炭化学研究所709组取得了系列进展。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。

超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。当电极与电解液接触时,由于库仑力、分子间力及原子间力的作用,使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷,称其为界面双层。把双电层超级电容看成是悬在电解质中的2个非活性多孔板,电压加载到2个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。双电层电容器根据电极材料的不同,可以分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器和有机聚合物电极超级电容器。

锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。

锂硫电池是锂电池的一种,截止2013年尚处于科研阶段。锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富,具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池,其材料理论比容量和电池理论比能量较高,分别达到 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg,远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一种对环境友好的元素,对环境基本没有污染,是一种非常有前景的锂电池。

从生物质和高分子等有机前驱体向无机炭材料转化的结构演变机制,及材料微观结构与电化学性能间的构效关系,是储能炭可控制备与定向应用的共性关键科学问题。

团队阐释了淀粉分子交联过程中主/侧链竞争反应及碳碳键断裂和键合机制,为生物质向电容炭的可控转化提供了科学依据(ACS Sustainable Chem. Eng., 2019, 7, 14796-14804);研究了生物质和酚醛树脂基电容炭或硬炭在热还原时含氧官能团的演变路径,并与其超级电容器和锂离子电池等性能建立关联,为储能炭材料表面结构优化指明了方向(J. Energy Chem., 2020, JECHEM1233; Electrochim. Acta, 2020, 337, 135736-11; J. Energy Chem., 2018, 27, 439-446);阐释了磷酸活化对多孔炭表面磷掺杂的化学机制,并发现了其对电化学界面的稳定效应,为高电压电容炭的表面结构设计提供了新思路(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 11421-11430; Electrochim. Acta, 2019, 318, 151-160; Electrochim. Acta, 2018, 266, 420-430.)。

团队还就生物质基电容炭和酚醛树脂基碳气凝胶领域国内外科研进展和发展趋势进行了综述(J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 16028-16045; Micropor. Mesopor. Mater., 2019, 279, 293-315.)。

陈成猛团队与晋能集团、美锦集团和山西三维等企业合作,先后攻克吨级氧化还原石墨烯、十吨级生物质基电容炭和吨级煤基球形石墨中试技术,打通全套工艺流程,研制配套关键装备,实现了相关材料从“样品”向“产品”的跨越。团队石墨烯中试制备技术通过山西科技成果鉴定,产品已推广应用于中电科18所、航天科技42所、中国航发北京航材院等国内外100余家企业和研究机构。电容炭中试产品已顺利通过宁波中车、锦州凯美和上海奥威等国内电容器领军企业的应用评测。近期,团队已与美锦能源合作启动年产500吨电容炭产业化一期工程,预计2021年产出批量化合格产品。

为服务储能炭材料精准高效研发,709组建成了国际先进的电化学储能器件组装与评测平台。依托自主炭材料,设计组装了超级电容器、锂离子电池和锂硫电池等先进储能器件,并形成道钉灯、电动汽车、无人机等应用示范。通过整合上下游资源,实现了从“单元配套”向“系统集成”的过渡,在反馈指导材料工艺优化的同时,实现了储能行业需求的精准对接。目前,团队已与宁波中车、宁德时代、沙特基础工业公司、厦门大学、中科院空天信息创新研究院和大连化学物理研究所等单位建立密切合作关系。

资料来源:百科、山西煤炭化学研究所

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