近年來，在儲能炭材料與器件研發(fā)方面，研究員陳成猛帶領(lǐng)中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所709組取得了系列進(jìn)展。團(tuán)隊解決了儲能炭制備與應(yīng)用中一系列科學(xué)難題，通過產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，突破石墨烯、電容炭和球形石墨等儲能炭材料規(guī)模化生產(chǎn)核心技術(shù)，設(shè)計組裝了超級
電容器、鋰離子電池和鋰硫電池等儲能器件，形成電動汽車、道釘燈和無人機(jī)等應(yīng)用示范。
超級電容器是通過電極與電解質(zhì)之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件。當(dāng)電極與電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力及原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定和符號相反的雙層電荷，稱其為界面雙層。把雙電層超級電容看成是懸在電解質(zhì)中的2個非活性多孔板，電壓加載到2個板上。加在正極板上的電勢吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器。雙電層電容器根據(jù)電極材料的不同，可以分為碳電極雙層超級電容器、金屬氧化物電極超級電容器和有機(jī)聚合物電極超級電容器。
鋰離子電池是一種二次電池(充電電池)，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。
鋰硫電池是鋰電池的一種，截止2013年尚處于科研階段。鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。單質(zhì)硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環(huán)境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達(dá)到 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰電池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一種對環(huán)境友好的元素，對環(huán)境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰電池。
從生物質(zhì)和高分子等有機(jī)前驅(qū)體向無機(jī)炭材料轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)演變機(jī)制，及材料微觀結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能間的構(gòu)效關(guān)系，是儲能炭可控制備與定向應(yīng)用的共性關(guān)鍵科學(xué)問題。
團(tuán)隊闡釋了淀粉分子交聯(lián)過程中主/側(cè)鏈競爭反應(yīng)及碳碳鍵斷裂和鍵合機(jī)制，為生物質(zhì)向電容炭的可控轉(zhuǎn)化提供了科學(xué)依據(jù)(ACS Sustainable Chem. Eng., 2019, 7, 14796-14804)；研究了生物質(zhì)和酚醛樹脂基電容炭或硬炭在熱還原時含氧官能團(tuán)的演變路徑，并與其超級電容器和鋰離子電池等性能建立關(guān)聯(lián)，為儲能炭材料表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化指明了方向(J. Energy Chem., 2020, JECHEM1233; Electrochim. Acta, 2020, 337, 135736-11; J. Energy Chem., 2018, 27, 439-446)；闡釋了磷酸活化對多孔炭表面磷摻雜的化學(xué)機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了其對電化學(xué)界面的穩(wěn)定效應(yīng)，為高電壓電容炭的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新思路(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 11421-11430; Electrochim. Acta, 2019, 318, 151-160; Electrochim. Acta, 2018, 266, 420-430.)。
團(tuán)隊還就生物質(zhì)基電容炭和酚醛樹脂基碳?xì)饽z領(lǐng)域國內(nèi)外科研進(jìn)展和發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜述(J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 16028-16045; Micropor. Mesopor. Mater., 2019, 279, 293-315.)。
陳成猛團(tuán)隊與晉能集團(tuán)、美錦集團(tuán)和山西三維等企業(yè)合作，先后攻克噸級氧化還原石墨烯、十噸級生物質(zhì)基電容炭和噸級煤基球形石墨中試技術(shù)，打通全套工藝流程，研制配套關(guān)鍵裝備，實現(xiàn)了相關(guān)材料從“樣品”向“產(chǎn)品”的跨越。團(tuán)隊石墨烯中試制備技術(shù)通過山西科技成果鑒定，產(chǎn)品已推廣應(yīng)用于中電科18所、航天科技42所、中國航發(fā)北京航材院等國內(nèi)外100余家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)。電容炭中試產(chǎn)品已順利通過寧波中車、錦州凱美和上海奧威等國內(nèi)電容器領(lǐng)軍企業(yè)的應(yīng)用評測。近期，團(tuán)隊已與美錦能源合作啟動年產(chǎn)500噸電容炭產(chǎn)業(yè)化一期工程，預(yù)計2021年產(chǎn)出批量化合格產(chǎn)品。
為服務(wù)儲能炭材料精準(zhǔn)高效研發(fā)，709組建成了國際先進(jìn)的電化學(xué)儲能器件組裝與評測平臺。依托自主炭材料，設(shè)計組裝了超級電容器、鋰離子電池和鋰硫電池等先進(jìn)儲能器件，并形成道釘燈、電動汽車、無人機(jī)等應(yīng)用示范。通過整合上下游資源，實現(xiàn)了從“單元配套”向“系統(tǒng)集成”的過渡，在反饋指導(dǎo)材料工藝優(yōu)化的同時，實現(xiàn)了儲能行業(yè)需求的精準(zhǔn)對接。目前，團(tuán)隊已與寧波中車、寧德時代、沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司、廈門大學(xué)、中科院空天信息創(chuàng)新研究院和大連化學(xué)物理研究所等單位建立密切合作關(guān)系。
