中国科学院电气工程研究所马衍伟课题组–石墨烯增强碳复合材料的大规模生产：面向实用软包电池锂离子电容器

锂离子电容器(LIC)作为一种有前途的储能系统，在高能量密度和功率密度储能器件方面显示出巨大的潜力。但受限于阳极倍率性能差、阴极容量不足，其性能有待进一步提升。这里，通过快速自蔓延高温合成工艺，制备了石墨烯/软碳复合材料（G/SC），和石墨烯/活性炭复合材料（G/AC），该复合物同时结合了石墨烯和碳材料的优点。对于阳极，石墨烯丰富了软碳的反应界面，改善了电化学反应动力学。因此，G/SC表现出优越的倍率性能。同时，由于优良的石墨烯网络，G/AC显示出显著增强的电导率（2941S·m-1），以及84%的出色电容量保持率。基于G/SC和G/AC的LIC显示出高的能量密度达151W h kg-1以及高功率密度（18.9 kW kg-1）。G/SC可以大规模合成，组装成大容量的LIC软包电池(1170 F或650mA·h)，表现出优异的能量密度 (基于设备的总质量)，和出色的循环性能(在10000次循环后，容量保持率为93.8%)。这项工作为超快速制造石墨烯基碳材料用于高性能锂离子电容器提供了一个通用而有效的方案。

Figure 1. 石墨烯复合材料制备示意图。（a）自蔓延高温合成工艺示意图；(b)和(c)自蔓延反应示意图；(d)使用G/SC 和 G/AC组装LIC的示意图；(e)大规模制备G/SC的照片，以及使用G/SC组装的相应大容量LIC软包电池。

Figure 2. G/SC 复合材料的形貌分析。（a-c）SEM图像；(d-f)TEM图以及HRTEM图。

Figure 3．G/AC 的SEM和TEM分析。（a-c）SEM图像；(d-f)TEM图以及HRTEM图。

Figure 4．G/AC//G/SC LICs的电化学性能。（a）具有不同阳极和阴极质量比的G/AC//G/SC LICs的倍率性能比较；（b）G/AC//G/SC LICs在不同扫描速率下的CV曲线；（c）不同电流密度下的放电曲线；（d）倍率性能比较；（e）能量密度和功率密度相关的曲线；（f）G/AC//G/SC LICs的循环性能。

Figure 5. AC//G/SC LIC的电化学性能。(a)在1–200 C的2–4 V电压范围内，AC//G/SC LIC的放电容量；(b)在1–200 C下LIC软包电池的充电和放电曲线；(d) LIC软包电池在50 C下的循环性能。

该研究工作由中国科学院电气工程研究所Yanwei Ma课题组于2021年发表在J. Mater. Chem. A期刊上。原文：A general route for the mass production of graphene-enhanced carbon composites toward practical pouch lithium-ion capacitors。

姓名：马衍伟 性别：男 职称：国家杰青、研究员 职务：研究部主任

学历：工学博士  电话：82547129传真：82547137

电子邮件：ywma@mail.iee.ac.cn   所属部门：超导与能源新材料研究部   通讯地址：中关村北二条6号

1996年毕业于清华大学，获工学博士学位;1996-1998年北京科技大学材料科学与工程学院博士后;1998-2002年作为文部省助手/战略基础研究员在日本东北大学金属材料研究所高场实验室工作;2002-2003年作为特别研究员在日本筑波国立材料研究所超导材料中心工作; 2003-2004年作为客座研究员在法国科研中心工作; 2004年2月正式到电工所工作。2005年4-5月和2010年2-3月，在日本东北大学作“访问教授”。2010年6-7月，在法国雷恩大学作“访问教授”。现任电工所研究员、博士生导师、超导与能源新材料研究部主任。

所培养的博士研究生中，8人获得“中科院优秀博士学位论文”奖，2人获得中科院院长特等奖，8人次获得中科院院长优秀奖。

主要成果：

长期从事超导与纳米储能材料及器件研究，在新型超导材料制备、石墨烯基超级电容器研制、强磁场材料科学等方向上取得了系统的创新成果。对高性能铁基超导材料的系统研究引领了该领域的发展，研制出国际第一根100米量级铁基超导长线，被誉为铁基超导材料实用化进展中的里程碑。研究成果曾入选科技部“国家十一五”重大科技成就展。发表SCI论文300多篇，被引用8300多次，H因子为46。获得国家发明专利授权60多项、申请国际发明专利3项。在国际重要会议上作Invited/Plenary报告60多次。

长期从事超导与纳米储能材料及器件研究，在新型超导材料制备、石墨烯基超级电容器研制、强磁场材料科学等方向上取得了系统的创新成果。对高性能铁基超导材料的系统研究引领了该领域的发展，研制出国际第一根100米量级铁基超导长线，被誉为铁基超导材料实用化进展中的里程碑。研究成果曾入选科技部“国家十一五”重大科技成就展。发表SCI论文300多篇，被引用8300多次，H因子为46。获得国家发明专利授权60多项、申请国际发明专利3项。在国际重要会议上作Invited/Plenary报告60多次。

希望招收的考生专业：物理、材料科学与工程、化学

美国应用超导大会程序委员会委员，国际低温材料大会Board Member，欧洲应用超导大会国际咨询委员会委员，中国化学会电化学专业委员会委员，中国金属学会电磁冶金与强磁场材料科学专业委员会委员，中国有色金属学会合金加工学术委员会委员，中国材料研究学会高级会员，中国晶体学会极端条件晶态材料专业委员会委员，中国科学院大学岗位教授。担任Physica C、Scientific Reports、物理等杂志编委。