從校門(mén)走進(jìn)園子，我們習(xí)慣于沖上等候在門(mén)口的校巴，一瞬間就將暑氣或寒流阻隔在門(mén)外。不知你有沒(méi)有留意到，載著你的，是一輛零排放的純電動(dòng)汽車(chē)。當(dāng)我們開(kāi)始越來(lái)越享受新能源帶來(lái)的福利時(shí)，可能不會(huì)想到，如今環(huán)游在校園內(nèi)的電動(dòng)校巴，數(shù)十年前，也許還只是實(shí)驗(yàn)室里一群人大腦里的一個(gè)想法……
1988年，現(xiàn)任清華大學(xué)深圳研究生院院長(zhǎng)的康飛宇教授還是機(jī)械系一名青年教師，他所在的課題組剛剛開(kāi)始聚焦于天然石墨的深加工技術(shù)。我國(guó)的天然石墨資源品質(zhì)優(yōu)良，儲(chǔ)量豐富，占全世界儲(chǔ)量的50%以上，但長(zhǎng)期得不到有效的深加工利用，只停留在原材料的開(kāi)采、出口銷(xiāo)售，或用于低端產(chǎn)品，如耐火材料?；谶@樣的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始尋求對(duì)天然石墨的深度開(kāi)發(fā)，希望能提高資源的附加值，團(tuán)隊(duì)首先開(kāi)始對(duì)石墨層間化合物合成技術(shù)的持續(xù)關(guān)注與研究，發(fā)明了電化學(xué)法制備優(yōu)質(zhì)可膨脹石墨的方法，并且迅速得到了轉(zhuǎn)化生產(chǎn)。
1994年前后，課題組開(kāi)始探究將天然石墨用于鋰離子電池負(fù)極材料的研究，陸續(xù)發(fā)明了雙氧水-硫酸共插層技術(shù)、微膨化改性、球形化和包覆等技術(shù)，并且和企業(yè)合作，逐步放大，在鋰電池應(yīng)用中取得了很好的效果。
長(zhǎng)期以來(lái)，鋰離子電池在商業(yè)化過(guò)程中大多使用人造石墨作為負(fù)極，而我國(guó)的部分企業(yè)率先使用天然石墨。“以前天然石墨在鋰電池負(fù)極的應(yīng)用中存在問(wèn)題，如循環(huán)性能差，快充能力不好，面對(duì)越來(lái)越大的新能源存儲(chǔ)和電動(dòng)車(chē)需求量，電池容量也有待提高，我們的核心工作就是圍繞著解決這些問(wèn)題開(kāi)展的。”康飛宇介紹說(shuō)。中國(guó)有非常好的鋰離子電池工業(yè)背景，非常有利于產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，將實(shí)驗(yàn)室研究成果迅速投入到工業(yè)化生產(chǎn)中并收獲反饋，不斷再完善技術(shù)。通過(guò)這種方式，項(xiàng)目組逐步開(kāi)發(fā)出可快速充放電、工作溫度范圍寬和循環(huán)壽命長(zhǎng)的微膨改性石墨負(fù)極材料、具有優(yōu)異高倍率性能和低膨脹率的負(fù)極材料和高容量且循環(huán)性能優(yōu)異的硅石墨復(fù)合負(fù)極材料。在實(shí)驗(yàn)室階段成功并獲得國(guó)家授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利后，這些技術(shù)和發(fā)明被深圳翔豐華和內(nèi)蒙古瑞盛新能源等合作企業(yè)迅速應(yīng)用于產(chǎn)品化中。
鋰電池負(fù)極材料的改進(jìn)已經(jīng)有了顯著的突破，那么正極導(dǎo)電呢？課題團(tuán)隊(duì)將目光聚焦到石墨烯上，石墨烯技術(shù)在2004年被曼徹斯特大學(xué)兩位教授發(fā)現(xiàn)并成功地從石墨中分離出石墨烯，他們?cè)?010年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯是目前世界上能夠合成的最薄的物質(zhì)，僅僅一個(gè)碳原子層厚度，是碳原子按照六角網(wǎng)狀無(wú)限延伸的平面結(jié)構(gòu)。天然石墨可以看成是自然界將無(wú)數(shù)層石墨烯疊摞在一起的塊體材料，如果能夠?qū)⑵湟粚訉觿冸x，就得到了極薄的石墨烯材料?？碉w宇回憶說(shuō)，“在石墨烯制備技術(shù)方面，我們一直在進(jìn)行著研究，從氧化插層、到剝離還原，我們都有獨(dú)到之處。我們也很快和企業(yè)開(kāi)始合作放大并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，核心應(yīng)用是將石墨烯用作正極材料的導(dǎo)電劑。”課題團(tuán)隊(duì)發(fā)明了溫和條件下高品質(zhì)石墨烯的低成本、宏量制備技術(shù)，提出了基于“點(diǎn)-面”模型的石墨烯導(dǎo)電劑應(yīng)用技術(shù)，相比于傳統(tǒng)使用導(dǎo)電炭黑作為添加劑，石墨烯導(dǎo)電效果好、體積能量密度高，“不同體系鋰電池的能量密度能提高3-8%，這對(duì)電池的性能改善是很大的貢獻(xiàn)。”在石墨烯導(dǎo)電劑應(yīng)用方面，課題組和東莞鴻納、比亞迪等企業(yè)進(jìn)行密切合作，進(jìn)展非?？?。目前，不少鋰電廠(chǎng)家都在應(yīng)用石墨烯導(dǎo)電劑。
鋰電池行業(yè)在國(guó)際上曾一度是美日技術(shù)領(lǐng)先，生產(chǎn)主要集中在中日韓三國(guó)，天然石墨和石墨烯項(xiàng)目的成功研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化讓我國(guó)的鋰電池產(chǎn)業(yè)如日中天，中國(guó)的產(chǎn)量現(xiàn)在已超過(guò)日本。談起鋰電池的國(guó)際產(chǎn)業(yè)布局，康飛宇認(rèn)為，對(duì)新能源存儲(chǔ)和電動(dòng)車(chē)推廣的需求急速增長(zhǎng)是國(guó)際趨勢(shì)，各國(guó)間也需要密切加強(qiáng)在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用等方面的交流學(xué)習(xí)與合作。
2018年初，團(tuán)隊(duì)的研究課題“高性能鋰離子電池用石墨和石墨烯材料”獲得了2017年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)?；仡欉@一路的研究歷程，康飛宇始終強(qiáng)調(diào)和工業(yè)界的密切合作，“一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，最終需要放大到產(chǎn)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中去。如何進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，把握好技術(shù)投入生產(chǎn)的時(shí)間從而形成產(chǎn)品的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升和穩(wěn)固我國(guó)在鋰電池行業(yè)的話(huà)語(yǔ)權(quán)？面對(duì)這一問(wèn)題，我認(rèn)為高校要通過(guò)不斷加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)界的合作來(lái)解決。”康飛宇說(shuō)。
一片天然石墨，從實(shí)驗(yàn)室的研究臺(tái)走向產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)線(xiàn)，最終，以一種高附加值的方式服務(wù)于我們現(xiàn)在的生活——科技服務(wù)生活，這正是康飛宇和團(tuán)隊(duì)里每一位科研工作者的追求。從研究石墨課題到今天開(kāi)發(fā)石墨烯，三十年已經(jīng)過(guò)去，未來(lái)還有多少個(gè)三十年？康飛宇和他的團(tuán)隊(duì)相信，只要有新的能源和技術(shù)需求，他們就不會(huì)止步……
