集群动态—先进电池材料产业集群

人物简介

陈成猛，博士，研究员，中科院山西煤化所709课题组长，中科院炭材料重点实验室副主任，兼任IEC/TC113和SAC/TC279标委会专家。2006年本科毕业于中国矿业大学，2012年于中科院山西煤化所获博士学位，2010-2011年在德国马普学会Fritz Haber研究所学习。主要从事储能炭材料与器件研究工作，主持项目20余项，发表SCI论文160余篇，授权专利35项，出版英文专著1部，主持制定国际和国家标准8项。荣获山西省自然科学一等奖、中国产学研合作创新成果一等奖、中国化工学会技术发明奖二等奖、侯德榜化工科技青年奖、中科院北京分院“启明星”优秀人才、山西省学术技术带头人等荣誉。2017年入选《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”，2019年获国家自然科学优秀青年基金资助。

人物专访

Q:　您在碳基材料储能、石墨烯材料应用开发等方面的学术研究和产业化应用方面都取得了丰硕的成果。您是如何结缘的呢？

2006年从中国矿业大学矿物加工专业毕业以后，我考入中科院山西煤化所材料学专业。山西煤化所在炭材料领域有着深厚的历史积淀，我就读时所在的701组是煤化所炭纤维研究的旗舰团队，我的导师、课题组长杨永岗研究员是该行业的领军人物。当时，我的课题主要由组里返聘的王茂章先生具体指导，王老师提醒同学们要保持敏锐感，除了研究炭纤维等传统炭材料，也应关注石墨烯等新型炭材料。于是，我成为701组第一个做石墨烯课题的研究生，从那时开始与炭材料结缘，也与碳基储能、石墨烯材料等结缘。

Q:　您觉得目前石墨烯产业的机遇和挑战是什么？

石墨烯是近年来学术和产业界的热点，国家对相关研究投入不少，产业界投资热情高涨，石墨烯面临空前发展机遇。而石墨烯的挑战在于如何实现产业落地。只有真正取得经济价值，才能回应社会对石墨烯的期望。石墨烯作为一种新材料，从2004年被发现，2010年两位科学家获诺贝尔物理学奖，至今只不过十几年时间，许多应用正处于培育阶段。石墨烯产业还不够庞大，实际落地产业体量较小，相比于已发展数十年的炭纤维，仍有较大距离。目前，石墨烯遍地开花，存在浮躁风气和概念炒作，负面新闻不少，石墨烯电池算是一个案例。这些问题需要我们正本清源，完善标准体系，开发实用场景，挖掘石墨烯产业价值，实现良性健康发展。

Q:　学术研究和产业开发是两个迥异的方向？您是如何做到两者兼顾的呢？

学术研究和产业开发本身互为依托。目前，炭纤维、特种石墨、中间相沥青、导电炭黑等传统炭领域尚存在高端品种“卡脖子”问题，纳米炭材料也面临“开花不结果”的窘境，其根源在于学术和产业没有真正融合。学术研究只有聚焦产业中的共性关键科学问题，揭示制约“卡脖子”技术背后的科学原理，才能让技术开发更具方向性。产业发展如果缺乏基础研究的指引和支撑，就只能停留在盲目摸索及低水平重复制造阶段，是谈不上高质量的。只有产学研密切合作，加强产业链上下游互动，材料制备与应用端互动，才能提高研发质量和效益，实现各方融合发展。这正是中科院号召的要“研究真问题，真研究问题”。

Q:　您觉得目前石墨烯的应用场景在其他领域有哪些想象空间？

我认为石墨烯目前最重要的应用仍在微电子领域，这是基于其二维晶体结构的一些特异的量子或电子学特性。在下一代半导体材料中，石墨烯能否接过硅的接力棒，延续摩尔定律，值得期待。而在化学材料领域，石墨烯主要以粉体或薄膜形态存在。薄膜在柔性触摸屏或可折叠屏幕等方面很有前景。在粉体领域，值得一提的是，利用氧化石墨烯组装的高通量石墨烯导热膜，可以更好地应对5G通讯、卫星和雷达等领域高功率电子器件的散热需求。另外，粉体以“石墨烯+”形式，已在防腐涂料、锂电导电剂、改性塑料和导电油墨等领域示范应用，但性价比还有待提升。

Q:　关于石墨烯芯片这方面，您认为中国有机会实现弯道超车吗？

中国在硅基芯片领域存在“卡脖子”问题，我觉得很难强行绕开它。因为像加工光刻机和集成电路设计软件等，是微电子领域共同需要的基础设施工具，即使跨越到碳基芯片，也需要用到，所以该补的课不能落下。但是相比硅基芯片，对碳基芯片的探索，我们与欧美国家应该还处在同一条起跑线上，需要我们把握机遇。

Q:　您认为未来碳基材料储能/石墨烯产业化的重点发展方向是什么？

电动汽车、智能电网、大规模储能和智能终端等产业发展迅猛，对电化学储能器件提出了更高能量和功率密度、更安全、更长循环寿命的共性需求。在这些应用牵引下，我们需要开发性能更优异的碳基储能材料。在锂离子电池领域，负极材料经历了从天然石墨到人造石墨，再向硅炭迈进的发展历程。在超级电容器领域，特种活性炭尚待国产化，同时要进一步降低成本，提高超级电容性价比和市场竞争力，促进大规模应用推广。钠离子电池则离不开新型的硬炭负极材料，而当前我们对其认识还有许多盲区，需要进一步研发攻关。对于锂硫电池或全固态电池，炭也可以作为锂金属的存储空间，改善原有纯锂负极应用时的器件失效和安全问题。总之，面向不同的储能体系，开发结构可控可调、与终端需求更适配、效率和性价比更高的炭电极材料，碳基储能材料会呈现“百花齐放”的盛景。

Q:　团队目前的工作重心是什么？接下来的研发方向有哪些？

课题组目前的工作重心是储能和电子领域的先进炭材料。我们面向锂离子电池和超级电容器的新需求，立足现有炭材料学科基础，开展定向攻关，希望能为该领域的里程焦虑、充电焦虑和安全隐患等问题，提供炭材料的系统解决方案，用先进炭材料为电化学储能赋能。另外，对于石墨烯，我们团队将重点开拓其在下游热管理和电磁防护等功能方面的应用。一方面，针对卫星、雷达、激光器等领域的热控需求开展定向攻关；另一方面，也将为手机、平板、通讯基站等领域提供热管理解决方案。接下来将更加努力把实验室的技术推向产业化，把样品做成产品、商品，服务国家重大需求，融入国民经济主战场。

Q:　新型炭材料学术研讨会已历十五届，此次的会议的主题是“魅力炭材料、助力碳中和”，从您的理解新型炭材料的最大魅力是什么？新型炭材料从哪些方面如何能更好地助力碳中和？

炭材料最大的魅力在于碳原子能通过sp、sp²、sp³等杂化方式，基于不同的化学组合和空间组装，衍生出形态各异、性能多变的炭材料。既能形成石墨烯、碳纳米管等粉体，也能制成特种石墨、C/C复合材料等块材，还有炭纤维这类的纤维形态，还能制成人造石墨膜和柔性石墨纸等薄膜。碳元素非常神奇，同一种元素，竟能形成性质截然相反的物质，可以从导热到绝热，从最软到最硬，从导电到绝缘，从全黑到透明，我想这是其他元素很难做到的。

而制作炭材料的原料却很朴素，像常见的煤炭、沥青、生物质和人造高分子都是很好的碳源。做炭过程本身就是在“固碳”，我们把煤炭、石油和生物质等含碳资源，以炭材料的形式固定下来，而不是将其烧掉再把二氧化碳重新释放到大气中。同时，有的炭材料还可以作为电极材料，去应用于锂离子电池或超级电容等绿色储能技术。不仅在制造时固碳，在应用时还能节能减碳，这种双重效应将很好地助力“碳中和”。此外，炭纤维在飞机、高铁和汽车上的应用，也能实现交通工具轻量化，降低燃油或电能消耗，减少在出行过程中的人均碳排放。

Q:　《新型炭材料》作为国产老牌优秀期刊为炭材料及其分支学科的基础科学、技术科学及边缘学科领域做出极大贡献，您对期刊未来发展有什么建议或/寄语？

《新型炭材料》创刊已有36年，作为炭材料领域的老牌期刊，随着中国国际地位和科研水平的提升，《新型炭材料》在采收投稿及审稿流程上需进一步与国际接轨。其次，期刊可以进一步突出炭材料的多元化，征集包括炭纤维、石墨、沥青、炭黑、碳纳米管、石墨烯等多领域的投稿，保持收录不同学科论文的均衡性，体现其在炭材料领域的权威性。最后，期刊应与时俱进，风格可以年轻化，编委团队适当引入青年学者，排版设计及组织模式也要适应新时代的变化，实现持久长远的发展。

编辑：文（吴海茵）图（张文斌）

709课题组由陈成猛博士牵头于2012年组建，团队现有成员50余人，包括科研骨干13人，工程师19名，在读研究生21名，已形成多学科交叉的青年科研团队。团队在煤化所桃南和小店园区分别拥有300m²实验室和2500m²中试场地，已建成完善的先进炭材料与电化学储能器件研发平台，具备从实验室、中试到产业化的全链条创新能力。

课题组共承担国家、山西及国内外企业项目30余项，累计到位经费9000余万元。发表论文160余篇，出版英文专著1部，授权专利35项，主持制定国际及国家标准8项。先后获山西省自然科学一等奖、中国产学研合作创新成果一等奖、中国化工学会技术发明二等奖等奖励，2020年获山西青年五四奖状集体荣誉。

课题组近五年主要面向超级电容器和锂离子电池产业需求，开展新型炭材料的基础研究与技术开发。立足产学研用协同攻关，与晋能集团和美锦能源等企业合作，突破了瓶颈性技术难题，设计开发了全套工艺与装备，先后建成吨级石墨烯和十吨级电容炭中试示范线，实现批次百公斤级材料的稳定供货。其中，石墨烯中试技术通过山西省科技厅组织的成果鉴定，达到国际先进水平，产品已推广应用于国内外100余家企业和研究机构，分别在航空航天领域热管理、固体推进剂和超级电容器等领域取得重要成果。电容炭中试技术通过中国石油和化学工业联合会科技成果评估，整体达到国际先进水平，产品已通过宁波中车新能源等国内超级电容龙头企业的应用验证，形成了国产炭的技术指标体系及应用解决方案，提升了超级电容器关键材料自主保障能力。基于以上材料，设计开发了新一代高性能超级电容器，并形成电动游览车等应用示范，打通了“料→材→器→用”技术创新链。

课题组牵头制订石墨烯、多孔炭和超级电容器领域多项国际、国家和行业标准，为相关产业的健康有序发展构筑了质量技术基础。上述工作为引领我国炭素产业高质量发展，服务山西地方经济转型升级贡献了力量。

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