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中國科學院山西煤炭化學研究所  蘇遠方

大家上午好，首先感謝協會給我們這個機會把我們做的研發工作做一個匯報。我們在電容器行業屬于一個新人，和各位前輩交流使我們受益匪淺，感謝大家！
    我的報告分兩個部分，首先把我們所石墨烯中試技術的研究進展介紹一下，結合我們所的石墨烯開發的一些電容器復合材料做一下介紹。
    我們是中國科學院下面的一個研究所，在山西太原。我們單位是1954年成立的，當時叫煤炭研究室，隸屬于現在的中科院大連化物所，后來搬到了山西太原。大家覺得太原的環境可能不是特別好，但是我們所內部的綠化環境還是可以的。我們所的研究方向一個是煤，一個是炭。煤是轉化為主，炭是新型材料的開發，是中科院重點材料實驗室，石墨烯是我們主要的一個研究方向，除了石墨烯之外還有一些碳纖維、活性炭以及其他的新型材料，這么多年來也是完成了很多國家的任務。
    我們所和張博士的電工所、大連所和化物所不一樣，我們主要是做中試這一塊。除了我們主體園區，在太原還有一個中試基地。
    石墨烯的中試是從2012年開始的，當時我們中科院文化所出了石墨烯方面的技術，太原市政府投入了五百萬引導資金，山西煤銷集團投入了兩千萬。我們很早就開始做這個了，但是宣傳不到位，大家了解的可能不太多。
    從技術方面介紹一下我們石墨烯的情況，現在做石墨烯有很多不同的技術手段，做出來的石墨烯在品質和價格方面有很多的差異，從而決定了它的應用場合。比如說原料液相剝離是面向儲能應用的唯一規模化途徑，像透明膜、導熱膜都是用CVD方法來生產的。我們采用的液相剝離主要用石墨烯，這個批量化、生產化相對容易控制一些。我們采用石墨烯氧化還原方法制備的，通過各種酸的氧化差層得到了氧化石墨。要得到石墨烯有兩條路徑，一個是把氧化石墨進行超聲剝離達到氧化石墨烯。
    通過氧化石墨直接采用熱膨脹快速升溫法直接得到石墨烯，這個技術看起來相對簡單一些，但是實際過程中還是遇到很多困難。比如說一些防腐處理，后續的水洗、雜質提純、熱控制等等。雖然它的結構被破壞了，然而很多場合恰恰需要一些不是那么完整的結構。
    我們從2007年開始就在實驗室開展石墨烯研究，每天20K左右。當時諾貝爾獎還沒有出來，研究方法不是很多，國內高校和部分企業提供一些樣品。到了2012年的時候，把各個參數、工藝條件掌握以后，開展小試的一個研究，然后開始轉化成中試方面的研究。目前，中試線有一到兩公斤的產量。
    我們的石墨烯產品，是100升的孔，石墨烯只有350K，很多老師都提到單純用石墨烯作為超級電容器材料，在體積能量密度上會有一些問題。目前科研產品還在做，國外一些研究機構在用。同時，還有一些氧化石墨烯的能力。現在大家聽到都是噸級、上百噸年產量的。因為現在石墨烯的應用上不是特別明朗，真正做到那么大的規模，我們現在還沒有打算。現在主要的精力放在石墨烯品質的提高上，再一個就是穩定化供應改善。
    石墨烯超薄的結構純度大于99.8，比表面積是六百到八百，堆積密度3到4，平均層數控制在4層左右。
     前面講的是石墨烯的情況介紹，今天主要是咱們電容器的會議，石墨烯的應用我就不展開講了。
這里我想講一下電容器方面的作用，我前面也提到了，更多是想從原料、材料、器件方面打通。石墨烯電容器很多文章報道非常的多，很多數據看起來也是非常的恐怖，大家覺得有時候不知道怎么回事。
    從石墨烯到電容器來講，因為現在從原料到石墨烯方面我們比較有信心。我們可以根據要求定制，可以研發出不同的比表面積、化學、層數等。但是電容器里面到底需要什么樣的石墨烯，這個石墨烯是不是單層特別好？表面什么樣的缺陷會引起電解液的反應？什么樣的缺陷會帶來能量存儲的作用？通過摻雜氮對它有什么影響？這個是我們石墨烯推向應用的時候，首先考慮的問題。
    還有一個是從材料到器件，并不是我們材料做的比較好，個參數控制的好做出來的電容器就特別好，我們認為這不是必然的。真正做石墨烯的時候，石墨烯加入到電極當中，根據我們常規的制備手段有一個分散過程。石墨烯在目前攪拌和分散過程中，是不是保證片層的不團聚，或者是否能夠均勻分散在里面，對我們槳料的涂抹過程中是否有影響，在后期溶劑揮發的時候，是否導致不平穩的狀態呢？還有就是對集流體的選擇，這些方面都是要解決的問題。
    如果這些事情我們不去做的話，大家也不會去做。我們在實驗室就提前做了超級電容器平臺，我們一個是要解決石墨烯問題，什么樣的石墨烯？什么樣的結構性能？什么樣的表面適合？這是我們制備當中的探索。
    根據中科院一般的思路是料要成材、材要成器，器要能用。目前我們也承擔了山西省的重點項目，給我們很大的支持。在目前實驗室基礎上，所里也給我們改造了兩千平米的廠房用來石墨烯下一步的開發。
    第二個是講一下石墨烯、氧化汞、活性炭電容器。石墨烯作為電容器材料有優勢，第一個是結構域性質，導電率好，比表面積大。這是不同溫度下制備的石墨烯，表面化學也不一樣。可以發現在溫度比較低的時候，石墨烯的容量非常高，衰減也比較低。隨著不同溫度的提高，容量下降也比較快。我們也和活性炭在實驗室也進行了一些簡單對比，發現了一些比較好的性能。
    發現把石墨烯用在電容器里面，首先是能量密度的問題。再一個是涂布、制漿、干燥、烘干的時候，加工性能非常差。 通過不同的分析，可以分析出不同樣品中的四氧化碳和石墨烯的配比。這是基本的變化性能，在不同的燒制下四氧化碳復合的效果是不錯的。
   石墨烯和氧化汞最終配比情況是，循環了一千次之后容量衰減24.%，氧化汞基本上是沒有太大變化。石墨烯活性炭我們也做了一些研究，當然這是比較前期的結果。發現石墨烯含量越多，整體復合材料的表面積降低，電導率提升的越快。
   石墨烯和活性炭非對稱電容器，通過組裝器件之后發現能量密度和功率密度都有很大的提升。當然，在做電容器的各位前輩看來是非常基礎的研究工作。我們希望下一步非對稱電容器和對稱性電容器是我們研究的方向，希望我們在座的各位前輩對我們工作提出一些寶貴的意見。
 
 
 
 
     
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