陈成猛 | 炭材料未来可期：从跟跑到并跑，最终领跑

炭材料是以煤、石油、生物质及其衍生品为原料，经加工处理获得的无机非金属材料，可广泛应用于航空航天、新能源、电动汽车、信息电子、轨道交通、机械装备和冶金化工等领域，也是运载火箭、新一代战机、空天飞行器、核反应堆等重点领域不可或缺的战略性基础材料。

山西，我国的能源基地，矿产资源丰富，煤炭早已是山西省响当当的“名片”，如今，山西正大力发展碳基新材料产业，努力实现由原料和燃料大省向新材料制造强省的转变。中科院山西煤化所依托区位优势，自上世纪 60 年代以来便聚焦炭材料研究领域，是国内先进炭材料的研发基地，为我国炭材料事业培养了大批优秀人才，被誉为“炭材料界的黄埔军校”。

近日，《Carbontech Magazine》有幸采访到中科院山西煤化所研究员、中科院炭材料重点实验室副主任陈成猛，陈成猛及其团队在炭材料领域贡献了诸多创新性成果，值得注意的是，超级电容炭技术正从中试迈向产业化，有望解决超级电容行业关键材料国产化难题。

这次访谈中，陈成猛老师与我们聊了很多，我发现他是一个充满温度的科研人，话语间能够感受到他对炭材料的情怀，以及对推动产业发展的责任感和使命感。陈老师向我们讲述了煤基炭材料、多孔炭材料的发展趋势和团队研究进展，并就产学研合作及成果转移转化等问题表达了自己的看法。

陈成猛
中科院山西煤化所研究员
中科院炭材料重点实验室副主任

陈成猛，中科院山西煤化所研究员，博士生导师，709 课题组长，国家自然科学优秀青年基金获得者，入选《麻省理工科技评论》中国区“35 岁以下科技创新 35 人”。兼任中科院炭材料重点实验室副主任、中科院石墨烯工程实验室副主任、国际电工委员会 IEC/TC113 标准化专家、中国颗粒学会青年理事等。

煤炭“变形记”：从燃料到材料

煤炭转型升级 煤基炭材料应运发展

煤炭是大自然的馈赠，历经亿万年地质作用，植物残骸得以固定并富集，形成可燃性矿物质。因地质年代和成矿条件差异，煤炭成分和形态多样，根据变质程度可分为褐煤、烟煤和无烟煤，它是人类最早认识并加以利用的能源之一，也是人类诸多早期物质文明中的一个代表。

当前，我国煤炭行业正处于转型升级的关键阶段，推动煤炭清洁高效利用，大力发展煤基材料，推动煤炭和新能源优化组合势在必行。在“双碳”目标牵引下，煤炭作为一次能源使用的占比将逐步下降，除了发电、炼焦和取暖，未来它将更多地展现原料和材料属性。对于煤炭行业转型升级，发展煤基炭材料是很好的着力点，应乘势而上。

将煤炭资源有效利用起来的途径之一是将其作为碳源，制备炭材料。例如，无烟煤经高温处理制成人造石墨，可作为锂离子电池负极材料，还可经活化制成活性炭，应用于污水和废气净化等领域，或作为催化剂的载体，应用于化学工业。这样我们不再是把煤当燃料烧掉，把远古植物光合作用固定并经地质封存的碳重新释放回大气中，而是通过材料化实现源头固碳，而这些材料很多还可应用于储能和环保等，是煤炭绿色、低碳、高值转化的可行路径。

山西阳泉和晋城是远近闻名的无烟煤主产地，团队依托山西煤炭资源禀赋，开辟了无烟煤制人造石墨负极材料的新路线，历经 5 年产学研协力攻坚，已掌握吨级中试技术，积累了丰富的工程化经验，并与下游用户形成对接与互动，为规模化生产和应用打下了坚实基础。目前，这项成果已具备工业示范的条件。

延伸焦化产业链 沥青基炭材料势头强劲

焦煤经焦化后产生煤焦油沥青，是制备先进炭材料的重要基础原料。沥青经分离提纯和后加工，可形成炭黑、针状焦、特种石墨、炭纤维、泡沫炭和负极材料等。与生物质和高分子类前驱体相比，沥青的可设计性和可拓展性更强，可谓“炭材料之母”。

其中一类是锂电负极材料，如人造石墨、中间相炭微球、硅炭和硬炭等，很多碳源就来自于煤沥青。例如，煤沥青经延迟焦化形成针状焦，再经粉碎、整形、石墨化、包覆和除磁等工序制成人造石墨负极，当前该产业发展势头十分迅猛。而以煤沥青为原料调制的包覆沥青，可以给纳米硅穿上“炭铠甲”，解决体积膨胀和界面稳定性问题，延长循环寿命，提高首次库伦效率。此外，沥青经氧化交联又能变身为难石墨化的硬炭，作为新一代负极材料，有望解决低温和快充的痛点难题，在锂电和钠电领域前景十分广阔。

另外一类是多孔炭材料，如活性焦、活性炭小球、电容炭和泡沫炭等，它们的形貌和孔结构可以根据终端需求设计和调控。例如，与生物质原料相比，以沥青为原料制备的活性炭通常具有更高的电导率，在应用于超级电容器时，有助于降低器件内阻，提高功率密度。此外，以煤沥青为源头调制发泡沥青，并进一步制成泡沫石墨，可作为导热骨架固载相变物质，制成复合相变储能材料，为激光器和雷达等短时高功率装备提供热控解决方案。

山西是传统焦化大省，煤焦油及沥青等副产物产量巨大。团队以煤沥青为原料，通过纯化、组分切割、交联和炭化等精细加工过程，开发了新型硬炭负极材料，目前已完成小试，正推进中试技术开发，并与用户实现对接。团队还以煤沥青为原料，制备了高品质的中间相炭微球，经炭化、石墨化后制成锂电负极材料，目前正在山东推进中试工作。

以上研究工作开辟了煤炭高价值化利用的新路径，实现了煤燃料到煤材料的转变，为我国煤炭清洁高效利用提供了新思路，同时也为推动山西煤炭产业转型升级储备了技术力量。

多孔炭“成长记”：从基本应用到新兴应用

各领域应用百花齐放 潜力无限

多孔炭材料拥有发达的孔隙结构，比表面积大，其代表产品是活性炭。我国目前是全球最大的活性炭生产国，产品以生物质和煤质活性炭为主。活性炭已成为我国工业过程中必不可少的一种吸附剂。

在环保领域，活性炭以其优异的吸附性能，已成为废气治理、污水处理、脱硫脱硝和化学防护等领域的刚需，其市场需求将持续增长。催化剂在化工领域不可或缺，而大部分催化剂都需要载体，活性炭以其发达的孔结构、良好的化学稳定性，成为其中重要分支。此外，碳分子筛作为变压吸附剂，可用于分离空气富集氮气，实现常温低压制氮，与深冷高压制氮相比也有很多优点。

多孔炭在新兴市场也有不少应用场景。在医疗领域，活性炭小球可以作为透析时的吸附介质，选择性去除毒素以净化血液，该材料不仅附加值高，且关乎生命健康。在储能领域，多孔炭可用作超级电容器、铅酸电池和电容型电池等电化学储能器件的电极材料或添加剂。在能源领域，超级活性炭还可用于氢气或天然气存储，这也是产业链的重要环节。

总结来讲，多孔炭未来发展将会非常强劲，不论是面向国家重大需求，还是国民经济主战场，特别是战略性新兴产业，多孔炭将发挥重大作用，未来可期。

储能用多孔炭 市场前景向好

在“双碳”目标牵引下，我们正经历能源革命，受智能电网、新能源、电动汽车和轨道交通等行业驱动，储能需求日益增加。超级电容器作为高功率、长循环寿命的储能器件，有望迎来市场爆发，这必然会带动电容炭需求大幅增长。

再说到锂离子电池负极材料，现在使用比较多的是石墨，固有的短板在于充电速度、低温性和安全性。将电容炭和石墨类材料特性耦合起来，设计开发电容型电池，则可取长补短，这种技术现在还处于市场起步期，但未来随储能需求的多元化，也可能带动多孔炭需求增长。

对于相对成熟的铅酸电池，现在也在寻求变革。铅酸电池的优点是全生命周期可回收、更安全，劣势是能量密度较低、寿命较短。在铅负极中添加 3%-5% 的多孔炭，可显著提升能量密度、充电速度和寿命，称作铅炭电池。这方面市场很大，因为铅酸电池的存量市场依然巨大，即便多孔炭添加量不高，但有望解决铅酸电池痛点问题，同时也给多孔炭增加了一个赛道。

大胆创新 打造国产特色电容炭

超级电容炭的原料可以分为三类，第一种生物质，例如市场占比较高的椰壳炭。其特点是孔结构发达、纯净度好，所制器件比容量高、循环稳定性好，但内阻略高。第二类是矿物系，包括石油沥青和煤沥青等，材料电导率高，适合制作低内阻、高功率的器件。第三类是酚醛树脂等高分子，这类碳气凝胶各方面的性能均衡，结构更可控，但成本较高，在高端领域有少量应用。

以上三种体系，团队前期都有一定的研究基础，发展到产业化阶段的是以生物质基电容炭技术，目前已与美锦能源合作完成10 吨级中试，正在太原清徐推进 500 吨级工业示范，预计 2022年底建成投产。我国在电容炭领域起步晚、底子薄，日本和韩国企业技术先进，市场占有率高。团队没有盲目模仿国外技术路线，而是因地制宜选取生物质衍生高分子为新型前驱体，所制电容炭呈类球状结构，相较传统椰壳炭体积比容量高 15-20%，且产品纯度高，原料自主可控。

与此同时，在生物质基电容炭基础上，团队正开发沥青基电容炭，目标是向用户提供低内阻、高电压、长寿命的电容炭材料。目前，公斤级沥青基电容炭中试产品已交付用户评测，后期计划导入工业生产线，实现多场景、多品种电容炭开发，满足超级电容制造商的差异化需求，提供材料系统解决方案。

衡量超级电容器的性能主要有三个指标，能量密度、功率密度和循环寿命。从这三个维度上来讲，我们研制的电容炭主要指标并不输给国外竞品，另外，由于我们采用创新的原料体系，一些指标已实现超越，且仍有较大的优化空间，这对用户来说也是有吸引力的。

产学研联动需要各要素集成

产学研，广义上讲包括政、产、学、研、用、金、检，是商业成功实施的要素。这其中不仅要有核心技术，还需与市场互动，借助资本的力量，顺应国家政策导向，并建立质量管理体系等。这些要素集成起来形成一个木桶，而技术只是其中一块板，当然，这个板非常重要，但若其它板缺失或太短，也会影响最终的成败，这就需要我们整合资源，才能将技术优势转化为商业成功。

相比欧美日发达国家，我国的成果转化率还较低。原因很多，我觉得首先是上述要素间脱节，尚未形成合力。从科研端看，满足市场需求、可供且值得转化的高质量技术供给能力不足。前期不少 SCI 导向的研究，可能更追求创新性和前沿性，与市场需求并不一定匹配。

从实验室走向产业化的路途充满了挑战。当然，很多投资者都喜欢可直接投产并盈利的成熟技术，然而，对于高校和院所来讲，产出这种技术却需要悉心的孵化和培育，更需要战略定力。一般情况下，将实验室技术进行中试熟化后，转化成功率相对较高，投资风险也小的多。

当然，我们要将论文写在祖国大地上，深入产业了解真实需求，并开展体系化、建制化的定向研发。科学家应多和工程师、企业家交朋友，瞄准市场做研究，逐步提升技术成熟度，协同推进产业化，将技术能力转化为商业价值，服务产业高质量发展。面向国家需求和经济主战场，聚焦“卡脖子”问题，发扬工匠精神，持续精进，逐步实现从跟跑到并跑，直至领跑，是完全有可能的。