北京化工大学邱介山：新结构高性能超级电容器电极材料的设计与构筑

进口的超级电容器活性碳材料多少钱一般的8000-16000一吨，但如果可以用在超级电容器代替韩国和日本的贵的72万一吨，煤便宜的时候几百块钱一吨。三四吨煤可以做一吨超级活性炭。我们认为有六个方面的问题需要结合。

——北京化工大学教授邱介山

8月7日-8日由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开，北极星储能网对论坛进行全程直播。

在8日“电磁储能”分论坛上，北京化工大学邱介山教授分享了《新结构高性能超级电容器电极材料的设计与构筑》的主题报告。

以下为发言实录：

北京化工大学教授邱介山：大家上午好！今天汇报的题目是《新结构高性能超级电容器电极材料的设计与构筑》。我上学是煤化工出身，我们毕业着一直围绕着煤工作。

我们做了很多应用，催化，原来基于碳材料做各种应用，最近也做二氧化碳和氮的转化和固定。只要有压缩空气通过，就可以产生高纯氮气。我们关注太阳能电池的应用。我们做很多关于二次电池和锂离子电池、钠离子电池。超级电容器是汇报的主题，随便拿一个活性炭组装就可以做超级电容器，当然了性能不一样。我们希望可以构建新结构高性能基于碳材料为主的复合材料，提升超级电容器的性能。做超级电容的过程中特别关注化工企业的废料处理。

今天上午听到很多关于机械处理的技术，我学化工的开眼界了解很多新概念。中国的钱用在刀刃上，不是为了专利而专利。希望我们做的技术一样确实能够支撑行业的发展，为中国的经济产生更多的利润。大学里关注的就是让学生做新的探索，新的理论和新的技术，让大家的理念都是一样的，有了好的目标才能有好的前途，否则路走弯了。我们认为针对超级电容要做原创性的东西，别人没有做过的。现有的材料体系做一些改进，到底某一种材料和技术的需求瓶颈在哪里。共性导向方面也要研究。大家合作无缝衔接才能做出真正应用的东西。

储能材料有很多，电动汽车安全是一个方面，但更多的是旅程焦虑。充电一次能不能回来，抛锚了没有充电桩怎样，这就希望有高的能量密度。超级电容器用在车上的就是公交车、地铁、坦克等在有限的领域。超级电容器和传统电容器相比，它的密度有两个数量级的差别。如何保持超级电容器功率密度情况下，大幅度的提升能量密度。我们的办法总比困难多。学工程的人解析到底关键瓶颈问题在哪里。传统的双电层的电容器保留优点，对二次电池里能量密度比较高，把二者结合，构筑了非对称的超级电容器。负极材料可以是传统的双电层的电容器，有很多的可能性。

问题是如何做？碳质核心（纳米微晶），碳质材料是多维的，绝缘体、半导体。透光性与光线透明等给我们无限的空间，可以赚钱也可以发文章。基于原料的不同，应用目标的不同，可以有很多的方式和方法。我们学化工的来说，把一个原料变成一个产品，涉及到过程工程和产品工程，要调控表界面的性能。碳基宏观体功能材料的设计与构筑方法，如何实现它的精准应用。不同的尺度上结构的调控，缺陷活性的控制，表面修饰，维度调控。做好了这四个方面，碳质材料可以手到擒来。碳质的材料有很多，代表性的是1985年Fullerene，1995年有了Mesoporous carbon。

为什么用煤做探基功能性材料？为什么利用煤做碳材料？我们了解中国的煤化工行业就会知道，世界上消耗50%的煤，我们偶尔会从澳大利亚和美国进口一些特别便宜，但性能不错的煤。我们世界上消耗70多亿吨煤，我们中国消耗30多亿吨煤。用煤做探基材料，用煤做出功能性的材料如何做，用在哪里？1983年开始中国煤炭产量世界第一，西部保守估计60%，乐观估计75%，到新疆随便挖就是煤。如何把宝贵的自然资源用好，这是需要考虑的问题。大庆油田和胜利油田发展之前，中国的化工发展全靠煤。想用什么化学原料就用化学原料，但这有设计成本的问题。现在咱们国家做的煤炭液化并不是可以赚钱，而是做战略储备，目前用电冬天取暖。如何把煤变成功能性的碳材料？我们把黑糊糊的煤变成高附加值的结构特别规整的碳材料不是容易的事情。我们知道进口的超级电容器活性碳材料多少钱一吨吗，一般的8000-16000，但如果可以用在超级电容器代替韩国和日本的贵的72万一吨，煤便宜的时候几百块钱一吨。三四吨煤可以做一吨超级活性炭。我们认为有六个方面的问题需要结合，如何实现煤的选择性的剪裁。如何采取合适的工艺技术，包括装置，气氛，催化剂等。拿到了这些工艺以后，如何实现物尽其用都是需要做的。中国除了海南岛没有煤矿，其它的都有，分为几类褐煤、烟煤、无烟煤。做事情需要有科学基础，从化学分子层面煤可以看成是三维空间的高分子材料，它的结构不像传统的高分子材料。

我们是世界上第一个利用煤做石墨烯的，相比其它的技术手段来说，我们认为这个技术路线值得进一步探索，有可能赚钱。根据原料的不同，碳质材料可以一维到复合。2002年9月去雍和宫吃饭，每一个怪兽下面都有石球。煤做碳源是非常有意思的东西，这个方向还在继续努力。现在有分子化学工程联合研究中心，每年有两千万。我们发现调控煤的分子结构，改变工艺条件就可以调控煤的性能。我们与国家纳米中心的老师一起研究，戴一个帽子就会发现可以改善性能。我们自己拿到煤基石墨烯以后做工程化，我们把煤基石墨烯功能化，有非常强的相互作用可以做全碳的催化剂。煤基材料与各方面一样，我们做很多别人没有做的，也不是说别人做了我们就不能做。别人做了以后，我们有什么新的贡献。我们认为围绕煤化工和石油化工精细化的发展理念，丰富发展功能碳材料。

功能碳材料与MXene及LDH的耦合，我们创造新结构的高性能的超级电容器的电极材料。MXene是碳化物和氮化物，合适的方法把中间的某一层拿掉，就可以构筑一层一层的MXene。弄完了以后表面产生缺陷，表面化学活性非常高。能源的储能和生物科学等方面有很多的应用。离子流动的非常快，我们认为MXene作为非对称的超级电容器的正极材料非常好，它的导电性和活性都非常好。世界上把MXene用在超级电容器的文章，我们培养了博士生接触到了MXene，把MXene做成了一个东西。我们做了非对称超级电容器的性能，先看物理性能，小时候玩的纸飞机，柔性可以折成纸飞机的东西。几微米的东西，改成一个小圈圈可以承受3-4倍。如果是100%的MXene是这样的，加10%PVA拉伸强度和应用的强度就不一样。

LDH是层状双金属氢氧化物，可以分一维、二维、三维。可以想着拿这样的东西和碳材料耦合做各种各样的东西。我们最早把LDH在合成过程中与各种材料结合，我们发电它的导电性可以调整。我们发现LDH应用在超级电容器方面很好。联合构筑的电容器，它的功率密度和能量密度与文献相比有明显的提升。

我们一直玩石墨烯，在LDH形成过程中到底有哪种机制。我们做了两年以后，学生说根据前面用的原料的不同，在LDH成长过程中可以调控相态，它的导电系统会改变，应用到超级电容器当中它的储能性和稳定性有很大的改善。二维材料生长机制和我们想象的完全不一样，并不是先形成零维、二维再想三维转变，我们发现先形成三维再向二维转变。封装剂的表面是在变化的，达到了一个临界尺度的时候突然掉下来。拿着碳质材料和其它的功能材料耦合，调整尺度、缺陷及红装结果构筑各种各样的功能性的碳材料。