炭材料是以煤、石油、生物質(zhì)及其衍生品為原料，經(jīng)加工處理獲得的無機(jī)非金屬材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天、新能源、電動汽車、信息電子、軌道交通、機(jī)械裝備和冶金化工等領(lǐng)域，也是運載火箭、新一代戰(zhàn)機(jī)、空天飛行器、核反應(yīng)堆等重點領(lǐng)域不可或缺的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)材料。

山西，我國的能源基地，礦產(chǎn)資源豐富，煤炭早已是山西省響當(dāng)當(dāng)?shù)摹懊?，如今，山西正大力發(fā)展碳基新材料產(chǎn)業(yè)，努力實現(xiàn)由原料和燃料大省向新材料制造強省的轉(zhuǎn)變。中科院山西煤化所依托區(qū)位優(yōu)勢，自上世紀(jì) 60 年代以來便聚焦炭材料研究領(lǐng)域，是國內(nèi)先進(jìn)炭材料的研發(fā)基地，為我國炭材料事業(yè)培養(yǎng)了大批優(yōu)秀人才，被譽為“炭材料界的黃埔軍校”。

近日，《Carbontech Magazine》有幸采訪到中科院山西煤化所研究員、中科院炭材料重點實驗室副主任陳成猛，陳成猛及其團(tuán)隊在炭材料領(lǐng)域貢獻(xiàn)了諸多創(chuàng)新性成果，值得注意的是，超級電容炭技術(shù)正從中試邁向產(chǎn)業(yè)化，有望解決超級電容行業(yè)關(guān)鍵材料國產(chǎn)化難題。

這次訪談中，陳成猛老師與我們聊了很多，我發(fā)現(xiàn)他是一個充滿溫度的科研人，話語間能夠感受到他對炭材料的情懷，以及對推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的責(zé)任感和使命感。陳老師向我們講述了煤基炭材料、多孔炭材料的發(fā)展趨勢和團(tuán)隊研究進(jìn)展，并就產(chǎn)學(xué)研合作及成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化等問題表達(dá)了自己的看法。

陳成猛??中科院山西煤化所研究員? 中科院炭材料重點實驗室副主任

陳成猛，中科院山西煤化所研究員，博士生導(dǎo)師，709 課題組長，國家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金獲得者，入選《麻省理工科技評論》中國區(qū)“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”。兼任中科院炭材料重點實驗室副主任、中科院石墨烯工程實驗室副主任、國際電工委員會 IEC/TC113 標(biāo)準(zhǔn)化專家、中國顆粒學(xué)會青年理事等。

煤炭“變形記”：從燃料到材料

煤炭轉(zhuǎn)型升級 煤基炭材料應(yīng)運發(fā)展

煤炭是大自然的饋贈，歷經(jīng)億萬年地質(zhì)作用，植物殘骸得以固定并富集，形成可燃性礦物質(zhì)。因地質(zhì)年代和成礦條件差異，煤炭成分和形態(tài)多樣，根據(jù)變質(zhì)程度可分為褐煤、煙煤和無煙煤，它是人類最早認(rèn)識并加以利用的能源之一，也是人類諸多早期物質(zhì)文明中的一個代表。

當(dāng)前，我國煤炭行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵階段，推動煤炭清潔高效利用，大力發(fā)展煤基材料，推動煤炭和新能源優(yōu)化組合勢在必行。在“雙碳”目標(biāo)牽引下，煤炭作為一次能源使用的占比將逐步下降，除了發(fā)電、煉焦和取暖，未來它將更多地展現(xiàn)原料和材料屬性。對于煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，發(fā)展煤基炭材料是很好的著力點，應(yīng)乘勢而上。

將煤炭資源有效利用起來的途徑之一是將其作為碳源，制備炭材料。例如，無煙煤經(jīng)高溫處理制成人造石墨，可作為鋰離子電池負(fù)極材料，還可經(jīng)活化制成活性炭，應(yīng)用于污水和廢氣凈化等領(lǐng)域，或作為催化劑的載體，應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)。這樣我們不再是把煤當(dāng)燃料燒掉，把遠(yuǎn)古植物光合作用固定并經(jīng)地質(zhì)封存的碳重新釋放回大氣中，而是通過材料化實現(xiàn)源頭固碳，而這些材料很多還可應(yīng)用于儲能和環(huán)保等，是煤炭綠色、低碳、高值轉(zhuǎn)化的可行路徑。

山西陽泉和晉城是遠(yuǎn)近聞名的無煙煤主產(chǎn)地，團(tuán)隊依托山西煤炭資源稟賦，開辟了無煙煤制人造石墨負(fù)極材料的新路線，歷經(jīng) 5 年產(chǎn)學(xué)研協(xié)力攻堅，已掌握噸級中試技術(shù)，積累了豐富的工程化經(jīng)驗，并與下游用戶形成對接與互動，為規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)。目前，這項成果已具備工業(yè)示范的條件。

延伸焦化產(chǎn)業(yè)鏈 瀝青基炭材料勢頭強勁

焦煤經(jīng)焦化后產(chǎn)生煤焦油瀝青，是制備先進(jìn)炭材料的重要基礎(chǔ)原料。瀝青經(jīng)分離提純和后加工，可形成炭黑、針狀焦、特種石墨、炭纖維、泡沫炭和負(fù)極材料等。與生物質(zhì)和高分子類前驅(qū)體相比，瀝青的可設(shè)計性和可拓展性更強，可謂“炭材料之母”。

其中一類是鋰電負(fù)極材料，如人造石墨、中間相炭微球、硅炭和硬炭等，很多碳源就來自于煤瀝青。例如，煤瀝青經(jīng)延遲焦化形成針狀焦，再經(jīng)粉碎、整形、石墨化、包覆和除磁等工序制成人造石墨負(fù)極，當(dāng)前該產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭十分迅猛。而以煤瀝青為原料調(diào)制的包覆瀝青，可以給納米硅穿上“炭鎧甲”，解決體積膨脹和界面穩(wěn)定性問題，延長循環(huán)壽命，提高首次庫倫效率。此外，瀝青經(jīng)氧化交聯(lián)又能變身為難石墨化的硬炭，作為新一代負(fù)極材料，有望解決低溫和快充的痛點難題，在鋰電和鈉電領(lǐng)域前景十分廣闊。

另外一類是多孔炭材料，如活性焦、活性炭小球、電容炭和泡沫炭等，它們的形貌和孔結(jié)構(gòu)可以根據(jù)終端需求設(shè)計和調(diào)控。例如，與生物質(zhì)原料相比，以瀝青為原料制備的活性炭通常具有更高的電導(dǎo)率，在應(yīng)用于超級電容器時，有助于降低器件內(nèi)阻，提高功率密度。此外，以煤瀝青為源頭調(diào)制發(fā)泡瀝青，并進(jìn)一步制成泡沫石墨，可作為導(dǎo)熱骨架固載相變物質(zhì)，制成復(fù)合相變儲能材料，為激光器和雷達(dá)等短時高功率裝備提供熱控解決方案。

山西是傳統(tǒng)焦化大省，煤焦油及瀝青等副產(chǎn)物產(chǎn)量巨大。團(tuán)隊以煤瀝青為原料，通過純化、組分切割、交聯(lián)和炭化等精細(xì)加工過程，開發(fā)了新型硬炭負(fù)極材料，目前已完成小試，正推進(jìn)中試技術(shù)開發(fā)，并與用戶實現(xiàn)對接。團(tuán)隊還以煤瀝青為原料，制備了高品質(zhì)的中間相炭微球，經(jīng)炭化、石墨化后制成鋰電負(fù)極材料，目前正在山東推進(jìn)中試工作。

以上研究工作開辟了煤炭高價值化利用的新路徑，實現(xiàn)了煤燃料到煤材料的轉(zhuǎn)變，為我國煤炭清潔高效利用提供了新思路，同時也為推動山西煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級儲備了技術(shù)力量。

多孔炭“成長記”：從基本應(yīng)用到新興應(yīng)用

各領(lǐng)域應(yīng)用百花齊放 潛力無限

多孔炭材料擁有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積大，其代表產(chǎn)品是活性炭。我國目前是全球最大的活性炭生產(chǎn)國，產(chǎn)品以生物質(zhì)和煤質(zhì)活性炭為主?；钚蕴恳殉蔀槲覈I(yè)過程中必不可少的一種吸附劑。

在環(huán)保領(lǐng)域，活性炭以其優(yōu)異的吸附性能，已成為廢氣治理、污水處理、脫硫脫硝和化學(xué)防護(hù)等領(lǐng)域的剛需，其市場需求將持續(xù)增長。催化劑在化工領(lǐng)域不可或缺，而大部分催化劑都需要載體，活性炭以其發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性，成為其中重要分支。此外，碳分子篩作為變壓吸附劑，可用于分離空氣富集氮氣，實現(xiàn)常溫低壓制氮，與深冷高壓制氮相比也有很多優(yōu)點。

多孔炭在新興市場也有不少應(yīng)用場景。在醫(yī)療領(lǐng)域，活性炭小球可以作為透析時的吸附介質(zhì)，選擇性去除毒素以凈化血液，該材料不僅附加值高，且關(guān)乎生命健康。在儲能領(lǐng)域，多孔炭可用作超級電容器、鉛酸電池和電容型電池等電化學(xué)儲能器件的電極材料或添加劑。在能源領(lǐng)域，超級活性炭還可用于氫氣或天然氣存儲，這也是產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。

總結(jié)來講，多孔炭未來發(fā)展將會非常強勁，不論是面向國家重大需求，還是國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，特別是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，多孔炭將發(fā)揮重大作用，未來可期。

儲能用多孔炭 市場前景向好

在“雙碳”目標(biāo)牽引下，我們正經(jīng)歷能源革命，受智能電網(wǎng)、新能源、電動汽車和軌道交通等行業(yè)驅(qū)動，儲能需求日益增加。超級電容器作為高功率、長循環(huán)壽命的儲能器件，有望迎來市場爆發(fā)，這必然會帶動電容炭需求大幅增長。

再說到鋰離子電池負(fù)極材料，現(xiàn)在使用比較多的是石墨，固有的短板在于充電速度、低溫性和安全性。將電容炭和石墨類材料特性耦合起來，設(shè)計開發(fā)電容型電池，則可取長補短，這種技術(shù)現(xiàn)在還處于市場起步期，但未來隨儲能需求的多元化，也可能帶動多孔炭需求增長。

對于相對成熟的鉛酸電池，現(xiàn)在也在尋求變革。鉛酸電池的優(yōu)點是全生命周期可回收、更安全，劣勢是能量密度較低、壽命較短。在鉛負(fù)極中添加 3%-5% 的多孔炭，可顯著提升能量密度、充電速度和壽命，稱作鉛炭電池。這方面市場很大，因為鉛酸電池的存量市場依然巨大，即便多孔炭添加量不高，但有望解決鉛酸電池痛點問題，同時也給多孔炭增加了一個賽道。

大膽創(chuàng)新 打造國產(chǎn)特色電容炭

超級電容炭的原料可以分為三類，第一種生物質(zhì)，例如市場占比較高的椰殼炭。其特點是孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、純凈度好，所制器件比容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好，但內(nèi)阻略高。第二類是礦物系，包括石油瀝青和煤瀝青等，材料電導(dǎo)率高，適合制作低內(nèi)阻、高功率的器件。第三類是酚醛樹脂等高分子，這類碳?xì)饽z各方面的性能均衡，結(jié)構(gòu)更可控，但成本較高，在高端領(lǐng)域有少量應(yīng)用。

以上三種體系，團(tuán)隊前期都有一定的研究基礎(chǔ)，發(fā)展到產(chǎn)業(yè)化階段的是以生物質(zhì)基電容炭技術(shù)，目前已與美錦能源合作完成10 噸級中試，正在太原清徐推進(jìn) 500 噸級工業(yè)示范，預(yù)計 2022年底建成投產(chǎn)。我國在電容炭領(lǐng)域起步晚、底子薄，日本和韓國企業(yè)技術(shù)先進(jìn)，市場占有率高。團(tuán)隊沒有盲目模仿國外技術(shù)路線，而是因地制宜選取生物質(zhì)衍生高分子為新型前驅(qū)體，所制電容炭呈類球狀結(jié)構(gòu)，相較傳統(tǒng)椰殼炭體積比容量高 15-20%，且產(chǎn)品純度高，原料自主可控。

與此同時，在生物質(zhì)基電容炭基礎(chǔ)上，團(tuán)隊正開發(fā)瀝青基電容炭，目標(biāo)是向用戶提供低內(nèi)阻、高電壓、長壽命的電容炭材料。目前，公斤級瀝青基電容炭中試產(chǎn)品已交付用戶評測，后期計劃導(dǎo)入工業(yè)生產(chǎn)線，實現(xiàn)多場景、多品種電容炭開發(fā)，滿足超級電容制造商的差異化需求，提供材料系統(tǒng)解決方案。

衡量超級電容器的性能主要有三個指標(biāo)，能量密度、功率密度和循環(huán)壽命。從這三個維度上來講，我們研制的電容炭主要指標(biāo)并不輸給國外競品，另外，由于我們采用創(chuàng)新的原料體系，一些指標(biāo)已實現(xiàn)超越，且仍有較大的優(yōu)化空間，這對用戶來說也是有吸引力的。

產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動需要各要素集成

產(chǎn)學(xué)研，廣義上講包括政、產(chǎn)、學(xué)、研、用、金、檢，是商業(yè)成功實施的要素。這其中不僅要有核心技術(shù)，還需與市場互動，借助資本的力量，順應(yīng)國家政策導(dǎo)向，并建立質(zhì)量管理體系等。這些要素集成起來形成一個木桶，而技術(shù)只是其中一塊板，當(dāng)然，這個板非常重要，但若其它板缺失或太短，也會影響最終的成敗，這就需要我們整合資源，才能將技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為商業(yè)成功。

相比歐美日發(fā)達(dá)國家，我國的成果轉(zhuǎn)化率還較低。原因很多，我覺得首先是上述要素間脫節(jié)，尚未形成合力。從科研端看，滿足市場需求、可供且值得轉(zhuǎn)化的高質(zhì)量技術(shù)供給能力不足。前期不少 SCI 導(dǎo)向的研究，可能更追求創(chuàng)新性和前沿性，與市場需求并不一定匹配。

從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的路途充滿了挑戰(zhàn)。當(dāng)然，很多投資者都喜歡可直接投產(chǎn)并盈利的成熟技術(shù)，然而，對于高校和院所來講，產(chǎn)出這種技術(shù)卻需要悉心的孵化和培育，更需要戰(zhàn)略定力。一般情況下，將實驗室技術(shù)進(jìn)行中試熟化后，轉(zhuǎn)化成功率相對較高，投資風(fēng)險也小的多。

當(dāng)然，我們要將論文寫在祖國大地上，深入產(chǎn)業(yè)了解真實需求，并開展體系化、建制化的定向研發(fā)。科學(xué)家應(yīng)多和工程師、企業(yè)家交朋友，瞄準(zhǔn)市場做研究，逐步提升技術(shù)成熟度，協(xié)同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，將技術(shù)能力轉(zhuǎn)化為商業(yè)價值，服務(wù)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。面向國家需求和經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，聚焦“卡脖子”問題，發(fā)揚工匠精神，持續(xù)精進(jìn)，逐步實現(xiàn)從跟跑到并跑，直至領(lǐng)跑，是完全有可能的。

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