石墨烯专家-陈成猛研究员专题采访

陈成猛
中科院山西煤化所研究员，博导，课题组长，中科院炭材料重点实验室副主任

个人简介

获国家自然科学优秀青年基金资助。担任《中国化学快报》编委、《中国化学工程学报》和《颗粒学报》青年编委、IEC/TC113和SAC/TC279标准化专家；发表SCI论文181篇，他引8765次，h因子43；主持制订国际标准4项、国家标准2项，出版英文专著1部，授权发明专利38项。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、侯德榜化工科技青年奖、中国颗粒学会青年颗粒学奖等。入选《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”、 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。

问题一

深水科技咨询：我们知道您做科研的时候并不是一帆风顺的，甚至团队和实验室都是自己一手逐步建立的，在这个过程中您是如何坚定了自己的科研道路，尤其是坚持了石墨烯这一条科研方向呢？您遇到哪些差点让自己放弃的困难的经历吗？

陈老师：做科研肯定会遇到困难，特别是像我们青年科研工作者，课题组建立的初期，就相当于一个企业的初创期，起步时一般都非常困难，但现在回忆起来，我觉得那段经历是非常有意义的。

我是在2006年进入中科院山西煤化所攻读硕士，当时课题组的研究方向是碳纤维，石墨烯还没有热起来。我的师祖王茂章先生认为石墨烯这种新兴炭材料具有很高的科学价值，特别是煤化所一直是国内炭材料的根据地，这种新兴的前沿方向也应该布局。导师杨永岗研究员也同意王茂章先生的建议，所以从那时起，我就开始做这方面课题，博士期间我去德国Fritz-Haber研究所进行联合培养时，也一直没有中断石墨烯的研究。2010年石墨烯的发现者获得诺贝尔奖后，这个方向开始大热，而我正好在2012年博士毕业，煤化所希望我能够留下继续开展工作，把石墨烯方向做起来，并且破格支持我独立成立课题组，当时我只有27岁，这给我很大的鼓舞。成为课题组长后，我要求自己一定要在石墨烯方向做出成绩来，对得起煤化所和恩师的栽培，另外，六年的石墨烯基础研究，也让我对这个方向充满兴趣，这些都是我坚定自己的科研道路和坚持做石墨烯的原因。

困难的经历有很多，中科院是课题组长负责制，团队刚开始只有我和师弟两个人，我们不仅要让课题组启动起来，还要考虑怎么活下去。煤化所支持的启动经费在实验室建好后就所剩无几了，我们遇到的第一个危机就是经济危机，我深深体会到肩上的担子很重，但我们不能放弃，基于已经积累的科研成果和正在进行的研究，我们申请到了中科院、山西省科技厅、太原市科技局的项目资助，项目经费不算特别多，但是足以让课题组活下来。活下来后，我们开始思考怎么让课题组步入正轨，发展壮大，经过一些炭材料领域前辈的指导以及内部战略研讨后，我们确定走产学研合作路线。2013年初，在山西省的支持下，我们与晋能集团（原山西煤炭运销集团有限公司）建立合作关系，开展石墨烯中试技术开发。这个项目对于我们来说是一个很好的机会，也是一个大的考验，当时国内外在石墨烯领域基本都在同一起跑线，几乎没有工程化的案例可供借鉴。我们在做中试的过程中是摸着石头过河，走了很多弯路，也遇到很多挫折，技术团队开始钻研化工知识，学习用工程化思维推进工作，不断优化工艺条件，建设和调试阶段基本吃住在中试线上，终于在2013年下半年建成中试线并成功投产。产学研的过程中我们壮大了团队，积累了经验，经受住了磨炼，整个课题组成长很快。

深水科技咨询：确实在做横向课题，也就是在和一些企业合作的时候，他们要求比较高，困难点确实很多，尤其是在做放大那个实验甚至到了中试的时候，真的是一个细节问题，要找好几天，而且问题之间经常环环相扣的。

问题二

深水科技咨询：作为我国石墨烯首批研究者之一，您研究石墨烯已经很多年也取得了很多成果，在锂电池这个应用中，现在可能很多市场有一些石墨烯电池、快充石墨烯电池，或者定位高端石墨烯电池这样一些宣传噱头，但是实际上它更多的仅仅是作导电剂、添加剂的这样的一个角色，那您觉得在未来的它可能承担更多的角色比如做一些复合材料进行大规模的产业化，应用在锂电池当中吗？

陈老师：把石墨烯作为主要的电极材料应用于锂离子电池基本是行不通的。锂电负极材料要求压实密度高、比表面积小，而石墨烯这种纳米材料比表面积大、界面多，虽然理论上讲石墨烯两面都可以吸附锂、储存锂，储锂容量能达到石墨理论容量的两倍，但事实证明，这都是以牺牲其它指标，比如体积密度、首效、循环稳定性为代价。

当主角不行，那当配角呢？这就要说到导电剂了。现在主流的导电剂是炭黑，碳纳米管作为一种新型的导电剂，展现出优异的性能，市场份额在逐渐提升。受锂电市场的牵引，行业已经涌现出不少碳纳米管企业，有的已经上市。石墨烯导电性很好，它的片与片之间有面接触和线接触，接触电阻更小，更容易在三维空间里形成导电网络，理论上比导电炭黑和碳纳米管有优势，但实际上大家忽略了一个问题，电子导电通路虽然建立起来了，离子却进入了迷宫，石墨烯导电网络阻碍了离子的迁移，导致扩散电阻增大。为解决这个问题，人们考虑将石墨烯做成小片径或面内进行打孔，再就是与碳纳米管或炭黑掺混得到复合型导电剂。为降低成本，行业还出现了小片径、十几层、甚至几十层的石墨烯导电剂，但从严格意义上讲这类材料并不能称作石墨烯，而是石墨微片。虽然我从事石墨烯研究，我希望石墨烯确实能用上，可作为一个科研工作者，客观、实际的讲，石墨烯在锂离子电池的应用场景确实有限。

另外，石墨烯可以用作涂碳集流体的导电涂层，我认为比导电剂更有优势。涂碳集流体导电涂层通常用纳米炭材料，如纳米石墨、炭黑、碳纳米管。石墨烯是一种二维材料，本身就是一种微观上的膜，将其涂覆在铜箔或铝箔上，做成一个宏观的有一定厚度的膜，去作为集流体和电极材料的界面，界面结合强度、附着力、两相界面的传递作用会比零维、一维材料更好，更符合它二维材料的结构特性，而且用量少，成本可接受，涂碳集流体比普通集流体拥有更高的附加值。

深水科技咨询：那您有布局这方面的研究吗？

陈老师：我们没有布局这方面的研究，但我了解到一些企业和科研机构在做，我还比较看好，至少是用真正的石墨烯。我认为导电剂和涂碳集流体是石墨烯在锂离子电池相对适用的两个应用场景。

深水科技咨询：所以石墨烯在锂电池这个领域，未来在大规模的应用上或者用于其他功能，目前不太可能看到这个前景。

陈老师：嗯，对。还有一个应用是硅炭方向。把石墨烯和纳米硅进行复合，用石墨烯去包纳米硅，把它裹在里面，经二次造粒做成微米级的颗粒，就像在一张纸里撒入一些种子，搓成一个纸团。这种方法要实现工业应用，需达到锂电负极材料的工业标准，比表面积、压实密度等特性都要过关。这种应用可能有一定前景。

深水科技咨询：这其实给大家带来了很多启发和介绍。那也就是说可能石墨烯这个材料的研究，未来在应用领域不是作为主导性材料？

陈老师：石墨烯在功能材料方向是可以作为主要材料使用的。我们将氧化石墨烯组装成膜，经高温石墨化、辊压处理，得到具有一定厚度的石墨烯导热膜，这种膜是一种高热通量、高面向热导率的散热材料。5G时代包括华为在内的许多手机厂商已经开始使用石墨烯导热膜。我们团队主要是面向国防领域，将石墨烯导热膜应用于飞行器、雷达、高能激光器的热控，这些设备的特点是高热流密度，利用石墨烯膜的高导热性、可加工性就可以解决其均温散热的问题。过去热控领域常用的是人工石墨膜，以聚酰亚胺作为原料制备，但聚酰亚胺基本依赖进口，还未国产化，是一种“卡脖子”的原材料。现在换一个思路，采用石墨烯作为原料去组装厚型高通量导热膜，用在5G电子产品和国防装备散热，可以算是石墨烯的一个“杀手锏”应用。

深水科技咨询：一些市场产品比如室内石墨烯取暖器，是利用石墨烯散热导热特点的应用方向吗？

陈老师：这个应用是将石墨烯调制成导电油墨，印刷在某种基底上，通电后就可以发热，相当于电阻发热。炭材料是一种黑体，红外发射系数和电热转换效率比较高，会产生远红外线，对人体也没坏处。现在市场上售卖的石墨烯取暖器，包括壁画、地暖、理疗产品很多，技术门槛不高。但是，到底是不是非得用石墨烯来做？传统的用炭黑、石墨、短切碳纤维制造的发热面板，性能也不差，其实都是利用炭材料的黑体属性。所以石墨烯取暖器这类应用并不是真正把石墨烯的二维结构、纳米级原子层厚度充分用起来，而且这类产品中是否使用了真正的石墨烯，都要打个问号。

问题三

深水科技咨询：我们知道您做过不少产业研合作项目，您也强调过加强产学研合作的重要性，那您方便透露目前参与的一些新的合作项目，未来聚焦的成果可能是哪些方面？

陈老师：我们完成的第一个产学研合作项目就是刚才讲到的石墨烯中试技术攻关。整体上石墨烯的市场仍然不成熟，需要培育，很多做石墨烯的同仁因此拓展了其它方向，比如例如黑磷、硫化钼、氮化硼等。我们在石墨烯方向找到的一个应用突破口就是前面提到的石墨烯导热膜，我们与兄弟课题组联合进行中试技术开发，在卫星等航天军工领域已有了实际应用，并且成为合格供方，目前正在积极寻求产学研合作伙伴。

现在团队主要聚焦的是市场上已经有需求或需求相对明确的方向。我们第二个产学研合作项目是超级电容炭，在与超级电容器企业交流接触中我们了解到国内电容炭基本依赖日韩进口，国产化做的还不够稳定，属于超级电容行业的“卡脖子”难题。中科院作为“国家队”，煤化所作为炭材料根据地，在多孔炭领域积累了深厚的研究基础，因此我们开始进行电容炭制备技术开发。2016年小试完成后我们与山西美锦能源进行合作，启动了产学研合作项目，在2020年中完成了十吨级电容炭中试技术开发，2021年下半年启动了一期500吨级电容炭产业化项目，预期在2022年底建成投产。这个项目我们从做中试时就与企业绑定在一起，双方合作去提高技术成熟度，同时积极与下游超级电容企业进行互动，根据用户需求牵引不断优化工艺条件，最终实现了技术成果转移转化。考虑到超级电容市场还未爆发，我们还同时在进行硬炭的开发，硬炭可以用作锂电或钠电的电极材料，它与电容炭有一些共性技术，都可以用生物质或沥青作为原料制备，只是不需要造孔。团队目前与下游锂电和钠电产业已建立合作关系，我们考虑在电容炭产业化线建设过程中设计一条硬炭的工业侧线，形成超级电容、锂电和钠电三跑道，实现产品多样化，为用户提供更好的材料解决方案，这个过程中不排除可能引入新投资方。

再就是煤基炭材料方向，煤本身就是大自然加工好的一种炭，是由远古时期埋在地下的植物经过亿万年的地质作用而来。无烟煤的固定碳含量在80%以上，是一种很好的碳源。沥青同样是很好的碳源，可以称作“碳材料之母”，包括现在非常火热的锂离子电池人造石墨负极，原料就是用煤沥青或石油沥青制备的针状焦，包覆也是采用沥青。电容炭也可以用沥青做成的针状焦，经过活化造孔制备得到。山西是煤炭大省，煤炭储量很丰富，品种多，品质高，产量大。山西也是焦化大省，焦化下游就会产出很多的煤沥青，煤沥青碳含量高，成本可控，可塑性强，残炭率高，但用于特种炭材料领域的中间相沥青、纺丝沥青、包覆沥青这些核心原料仍然依赖进口，与国外有很大差距。煤化所老前辈们在煤和煤沥青制备炭材料方面做了很多扎实的工作，有很好的研究积累，团队也一直在做相关的技术开发，基于此我们分别与神华集团、华阳新材、阳光焦化和美锦能源这些煤炭焦化企业建立了合作关系，共同开发煤基炭材料项目，争取在传统炭材料里面挖出金矿，实现煤的高附加值转化利用。而且下游用户现在越来越重视原料保障，对原材料国产化的需求也在牵引我们做下去。

我们更像是一个连接上游传统产业和下游包括锂电在内的战略性新兴产业的连接器，依托我们在炭材料领域的创新能力和研发能力，推动相关产业延链、补链、强链，这对传统产业转型升级和服务战略性新兴产业具有重要的意义，我们也愿意承担起这个责任。

深水科技咨询：陈老师讲的这一块的立足点，真的非常的好，现在很多传统的企业需要转型，寻求新的应用方向，而真正能做这些的研究院所，其实不是那么多，不管是技术层面或者策略层面上，非常感谢陈老师您这方面的一个分享。

问题四

深水科技咨询：当前高能量高功率锂电负极材料是大家关注的一个重点方向，您觉得哪种负极材料在这个方面会有比较好的应用前景？

陈老师：石墨在当前乃至未来几年依然是主流，不可代替，包括天然石墨和人造石墨。但石墨的固有短板是低温性能和充电速度，所以需要在石墨上做更多工作。为什么当前的低温和快充性能不太好？主要是因为针状焦或石油焦原料有一定取向性、容易石墨化，经过整形后石墨化度依然很高，所以储锂机制以锂离子嵌入为主，不利于锂离子扩散，导致快充时析锂，容易出现安全事故。改进现有的制备工艺去解决这些问题有一定困难，但可以考虑在原料端换个跑道。无烟煤储量丰富、成本低，特别是它的各向同性，使得制备得到的石墨取向性不高，石墨端面可以暴露出来，这样锂离子嵌入的通道和入口会更多，进入微米级颗粒内部的离子更少。另外，无烟煤包含一定挥发分，在脱除过程中会出现一些初级孔道，变成内孔。无烟煤还含有一些难石墨化的部分，有一部分转化为类似于硬炭的结构。因此我们不追求100%石墨化，而是保留一部分无定型炭（硬炭结构），主体还是石墨，就可以用来做低温快充型负极。团队在无烟煤基锂电负极方面已经做了大量工作，通过精细的分选降低无烟煤挥分，再做成负极材料，附加值很高。传统的动力煤主要用于发电，或作为燃料来用，现在通过石墨化把碳富集起来，根据需求转化为高端炭材料，用于锂离子电池等绿色储能场景，进而对接新能源汽车和电网应用，是节能减排，也是制造端材料固碳、应用端电池减碳，非常符合我国的双碳目标。

我比较看好的另一个方向是硬炭，以沥青或生物质原料去制备，用于锂电可以提升低温、快充性能，突破石墨372 mAh/g理论容量极限；用于钠电也是大有可为的。另外，也可以将硬炭和纳米硅复合，制备得到硅炭负极，解决锂电低温快充高容量问题，成为全能型选手。这类新型负极在未来都是有一定发展前景的。