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實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的前身是中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所炭材料研究室。該研究室創(chuàng)建于1962年，是我國(guó)最早從事新型碳材料研發(fā)的機(jī)構(gòu)之一。中國(guó)科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2002年10月建成并對(duì)外開放，結(jié)合炭材料學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)家需求，實(shí)驗(yàn)室的研究定位是從事高性能和多功能炭材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展目標(biāo)是：承擔(dān)國(guó)家重大項(xiàng)目或國(guó)防軍工領(lǐng)域用高性能炭材料的研究開發(fā)工作，闡明影響炭材料高性能化和多功能化的相關(guān)科學(xué)基礎(chǔ)問題，攻克國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)急需的高性能炭材料制備過程中的共性和關(guān)鍵技術(shù)；培養(yǎng)炭材料學(xué)科領(lǐng)域的高級(jí)人才；促進(jìn)高性能炭材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)室瞄準(zhǔn)炭材料學(xué)科國(guó)際前沿，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家高技術(shù)需求為牽引，以闡明高性能和多功能炭材料制備過程中的相關(guān)科學(xué)基礎(chǔ)問題、攻克關(guān)鍵和共性技術(shù)為研究重點(diǎn)，以形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和推動(dòng)新型炭材料的實(shí)用化為最終目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期堅(jiān)持多學(xué)科的交叉與融合，培養(yǎng)和組建了一支高分子化學(xué)、高分子物理、有機(jī)化工、化學(xué)工藝和材料科學(xué)交叉、理論和實(shí)驗(yàn)以及工程設(shè)計(jì)相結(jié)合的創(chuàng)新型研究隊(duì)伍，注重新型炭材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，尤其是針對(duì)新型炭材料的高性能化和多功能化的途徑探索和機(jī)理研究。

研究方向

主要研究方向包括高性能碳纖維及其復(fù)合材料、特種炭/石墨材料、功能炭材料、石墨烯及新能源材料的制備與應(yīng)用等。

高性能碳纖維

原料純化過程中的物理化學(xué)反應(yīng)

共聚物合成中共聚組成在鏈內(nèi)、鏈間的分布以及對(duì)分子量及其分布的影響

聚合物結(jié)構(gòu)與可紡性相關(guān)性及根據(jù)聚合物結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)其可紡性的規(guī)律

原絲形成過程中凝固浴擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)

預(yù)氧絲中氧原子的徑向分布與其均質(zhì)化的相關(guān)性

炭纖維制備過程中雜質(zhì)的遷徙行為及缺陷的產(chǎn)生和演變規(guī)律

異形截面炭纖維的制備科學(xué)及其功能特性研究

等離子體技術(shù)用于制備高性能石墨纖維的研究

特種炭/石墨材料

導(dǎo)熱/隔熱炭基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制備

多組元/多相體系復(fù)合過程中物理化學(xué)相容性

多組元/多相體系復(fù)合過程中的界面結(jié)合機(jī)制的研究

炭基復(fù)合材料中各組元協(xié)同效應(yīng)的研究

極端環(huán)境下的炭基復(fù)合材料服役行為和失效機(jī)制的研究

多孔炭材料

不同形態(tài)、不同結(jié)構(gòu)多孔炭材料的制備條件與其結(jié)構(gòu)的相關(guān)性

多孔炭材料在吸附分離和能量?jī)?chǔ)存方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

多孔炭材料結(jié)構(gòu)與其性能的相關(guān)性研究

多孔炭材料制備工程化放大技術(shù)研發(fā)

石墨烯制備與應(yīng)用

石墨烯的批量化低成本制備技術(shù)，如電化學(xué)非氧化剝離石墨（礦）制備石墨烯的綠色低成本新技術(shù)、氧化石墨烯及其高比表面積的石墨烯的中試放大技術(shù)

石墨烯新材料在儲(chǔ)能、熱管理、電催化和功能材料等領(lǐng)域中的應(yīng)用

石墨烯修飾與功能化

石墨烯新材料的構(gòu)效關(guān)系

石墨烯優(yōu)異的微觀性能在宏觀體中能充分體現(xiàn)的科學(xué)問題

研究隊(duì)伍

實(shí)驗(yàn)室本著“引進(jìn)急需人才、用好現(xiàn)有人才、穩(wěn)定關(guān)鍵人才、培養(yǎng)未來人才”的原則，形成了知識(shí)結(jié)構(gòu)合理、學(xué)術(shù)氣氛活躍、學(xué)風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊詫W(xué)術(shù)帶頭人和科研骨干為主體的固定人員和以碩、博士研究生為主體的流動(dòng)人員所構(gòu)成的研究隊(duì)伍。中國(guó)科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)任主任為宋燕研究員，現(xiàn)任學(xué)術(shù)委員會(huì)主任為成會(huì)明院士。

科研進(jìn)展

自實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以來，實(shí)驗(yàn)室的學(xué)科建設(shè)呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。已形成了任務(wù)帶學(xué)科、學(xué)科促任務(wù)的良性局面。實(shí)驗(yàn)室相繼承擔(dān)了來自國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、總裝備部、國(guó)防科工局、中國(guó)科學(xué)院、山西省科技廳、太原市科技局、企業(yè)橫向委托等多項(xiàng)研制任務(wù)。近些年來，在高性能炭材料的研究方面獲得多項(xiàng)研究成果。在一些重要研究方向已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先或國(guó)際先進(jìn)水平，如聚丙烯腈基高性能炭纖維、高導(dǎo)熱炭基復(fù)合材料、高比表面積活性炭、石墨烯的規(guī)�；�制備。

“淀粉基超級(jí)電容活性炭批量化制備技術(shù)”通過中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技成果評(píng)估

評(píng)估委員會(huì)專家經(jīng)質(zhì)詢和討論，一致認(rèn)為：該技術(shù)有望解決困擾我國(guó)超級(jí)電容器行業(yè)的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容活性炭的國(guó)產(chǎn)化，整體達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。該技術(shù)解決了淀粉基電容炭中試制備過程中的連續(xù)活化、深度純化和表面脫氧等技術(shù)難題，為電容炭產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，取得的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：一是建成國(guó)際首條十噸級(jí)淀粉基超級(jí)電容活性炭中試線。二是優(yōu)化了淀粉低溫化學(xué)交聯(lián)工藝，將淀粉多糖結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定性更高的芳香結(jié)構(gòu)。針對(duì)交聯(lián)過程熱量累積，率先采用推板式交聯(lián)爐，有效避免集中放熱，提高了交聯(lián)工藝安全性。三是發(fā)明了活化劑重結(jié)晶成型預(yù)處理工藝，成功解決了氫氧化鉀高溫“粘壁”問題，形成了連續(xù)堿活化制備電容炭新工藝。同時(shí)，該技術(shù)已獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利2項(xiàng)，主持制定IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)（IEC/TS62565-5-1、IEC/TS62565-5-2），所開發(fā)的產(chǎn)品已在寧波中車、錦州凱美和上海奧威等超級(jí)電容器企業(yè)試用。最后，評(píng)估委員會(huì)專家建議加速推進(jìn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

在鋰離子電池負(fù)極用碳及硅/碳材料研發(fā)方面取得多項(xiàng)進(jìn)展

近年來，宋燕研究員及其帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，通過對(duì)碳基及硅基負(fù)極材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效構(gòu)筑了一系列電極材料，實(shí)現(xiàn)了材料比容量、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的顯著提升�；�于商業(yè)負(fù)極材料石墨在結(jié)構(gòu)以及容量方面的局限性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多方嘗試。以天然石墨鱗片以及瀝青焦炭為原料，通過熱壓燒結(jié)的方式制備了石墨碳與多孔納米碳共存的鎳摻雜中空納米碳負(fù)極材料（Carbon,2013,64:537-556; Electrochimica Acta, 2013,112:394-402；專利授權(quán)號(hào)201210363338.4）。隨后，團(tuán)隊(duì)以瀝青為原料通過加壓縮聚的方式制備了類石墨片層碳，此材料作為負(fù)極材料時(shí)不僅具備石墨的強(qiáng)穩(wěn)定性，其容量值也得到了提升（專利申請(qǐng)?zhí)?02010121400.3）。針對(duì)硅基負(fù)極材料循環(huán)穩(wěn)定性差的特性，團(tuán)隊(duì)利用靜電作用在硅納米顆粒表面吸附陽(yáng)離子表面活性劑來實(shí)現(xiàn)核殼雙層保護(hù)，減弱并限制硅膨脹時(shí)應(yīng)力對(duì)材料結(jié)構(gòu)造成的破壞（Chemistry-A European Journal,2017,23:2165-2170；專利授權(quán)號(hào) 201610580560.8和201610580586.2）。為進(jìn)一步調(diào)控硅基雙包覆結(jié)構(gòu)的性能，采用硬模板法引入空腔來緩和硅的體積變化，實(shí)現(xiàn)提高容量以及循環(huán)穩(wěn)定性雙層目標(biāo)（Electrochimica Acta,2019,295:75-81）。

在儲(chǔ)能炭材料與器件方面取得系列進(jìn)展

近年來，在儲(chǔ)能炭材料與器件研發(fā)方面，陳成猛研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得了系列進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)解決了儲(chǔ)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(chǔ)能炭材料規(guī)�；�生產(chǎn)核心技術(shù)，設(shè)計(jì)組裝了超級(jí)電容器、鋰離子電池和鋰硫電池等儲(chǔ)能器件，形成電動(dòng)汽車、道釘燈和無人機(jī)等應(yīng)用示范。通過打造“料-材-器-用”創(chuàng)新鏈，建立標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)了我國(guó)儲(chǔ)能炭材料從“做好”向“用好”的跨越，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)了力量。

在柔性多孔納米炭纖維無紡布制備及應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面取得進(jìn)展

宋燕研究員團(tuán)隊(duì)以煤液化殘?jiān)�中的瀝青烯或前瀝青烯為碳源，經(jīng)過靜電紡絲結(jié)合不熔化、炭化處理成功制得柔性多孔納米炭纖維無紡布，采用硝酸預(yù)處理結(jié)合空氣不熔化、紡絲原液中添加苯甲酸等方法有效解決了不熔化過程中纖維間的融并現(xiàn)象。闡明了電紡、不熔化、炭化等過程產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和形貌的演變規(guī)律，并探索了該無紡布在超級(jí)電容器、鋰離子電池和鉀離子電池等新型電化學(xué)儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用（ACS Sustainable Chem Eng, 2019, 7 (6): 5742-5750；Energy Fuels, 2020, 34 (2): 2445-2451，專利申請(qǐng)?zhí)枺?01711362163.4， 201810491436.3， 201810641716.8， 201810641705.X和201811315964.X）。

在低值煤瀝青構(gòu)筑高性能電容炭方面取得多項(xiàng)重要進(jìn)展

近年來，702課題組李開喜研究員及其帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，通過對(duì)瀝青分子精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，無模板構(gòu)筑了一系列納米結(jié)構(gòu)電極材料，組裝了高性能柔性全固態(tài)電容器和非對(duì)稱電容器，實(shí)現(xiàn)其能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性的顯著提升，且交聯(lián)自組裝策略還成功應(yīng)用于瀝青基球狀活性炭生產(chǎn)線上，取得了基礎(chǔ)和應(yīng)用雙突破。

信息來源：中國(guó)科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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