石墨烯储能、动力电池产业投资高峰论坛总结(1)-solarbe文库

资源描述：

石墨烯储能、动力电池产业投资高峰论坛总结当今世界，全球气候变暖、化石能源逐渐枯竭、环境污染日趋严重等一系列的能源与环境问题严重威胁着人类的生存与发展。寻找替代化石能源的可再生绿色能源成为目前亟需解决的问题，而高效利用可再生能源是解决该问题的有效途径，解决能源危机的重要手段。汽车产业是国民经济的支柱性产业，有着举足轻重的地位；汽车产业的关联强，带动众多的相关产业，同时也是国家税收的主要来源之一。目前，中国汽车产业发展面临三大调整和历史任务。一是汽车产业由大国到强国的转型挑战。二是面临汽车排气污染治理的挑战。大气污染控制的国家行动计划倒逼零排放新能源汽车的发展，满足未来法规的排放后处理技术与维护管理愈来愈复杂。三是面临汽车保有量快速上升与能源安全和低碳发展的挑战。开发新能源汽车技术是汽车产业可持续发展的唯一途径。混合动力车和电动汽车的逐步市场化以及各种便携式用电装置的快速发展，均需要高效、实用、 “绿色”的电能存储系统。对于新型的“绿色”储能器件，在关切其“绿色”的同时，高能量密度和高功率密度则是其能否可以真正替代传统能量储运体系的重要指标。对于新型的“绿色”储能器件，在关切其“绿色”的同时，高能量密度和高功率密度则是其能否可以真正替代传统能量储运体系的重要指标。新型的电源体系，特别是二次电池或者超级电容器是目前重要的“绿色”储能装置。而其中核心部分是性能优异的储能材料。具有特殊结构的碳材料一直是储能材料大家族的重要成员，特别是 2004 年发现的石墨烯，它是单原子层构成的新型二维原子晶体，其基本结构单元为有机材料中最稳定的六元环，理论厚度仅为 0.34 nm，是迄今为止发现的最薄的二维材料。理想的石墨烯其所有碳原子均暴露在表面，是真正的表面性固体，具有超大的比表面积（ 2630 m2/g），同时具有良好的导电性和导热性，是理想候选储能材料一、国内外研究进展（一）石墨烯基锂离子电池锂离子电池具有电压高、比能量高、无记忆效应、循环寿命长、无环境污染等特点，被广泛应用于混合动力车、电动汽车以及各种便携式用电装置中。为了满足对锂离子电池能量密度越来越高的要求，人们一直在尝试寻找新的电极材料。将石墨烯应用于锂离子电池可以解决传统锂电池能量密度和功率密度难以兼得的问题，可以作为石墨烯复合负极材料、锂电池正负极材料的导电添加剂和石墨烯功能涂层铝箔，全方位提升锂电池质量品质。1. 石墨烯基负极石墨烯负极在锂离子电池中的应用方向是高比功率电池。一种动力学性能良好的负极材料应该满足（ 1）良好的电子传输通道；（ 2）良好的 Li 传输通道。石墨烯本身良好的导电性已经确保其良好的电子通道。石墨烯片层的尺度在微纳米量级， Li 在石墨烯片层间的扩散路径较短； Li 在石墨层间的嵌入和脱出只能从层间的侧面进行，而石墨烯与 Li 的结合可以在整个表面同时进行，所以石墨烯也具有良好的 Li 传输性能。石墨烯可直接用作锂离子电池的负极材料，并展现出优异的储锂特性。 2009 年，北京化工大学宋怀河等采用 1050 ℃热膨胀氧化石墨法制备了褶皱纸状石墨烯纳米片，并应用于锂离子电池负极材料，获得了较好的储锂性能。采用 1mA/cm 2 的电流密度充、放电时，其比容量可达 554 mAh/g 。具有良好的循环稳定性，容量为 672 mAh/g 。然而，在电压为 0.2V，从石墨烯纳米片的充放电曲线上并没有观察到明显的台阶效应，而从人造石墨电极的每个充电过程都能清楚地看到。作者将这种现象解释为石墨烯片小的晶粒、高的比表面积及无序的堆积。2013 年， Di Wei 等将化学气相沉积（ CVD ）生长于铜箔的单层石墨烯作为负极，用于制备柔性全固态电池，得到的电池总厚度为 50 μm 。超薄电池表现出高的能量密度（ 10 W h L- 1）和高的功率密度（ 300 W/L ）。同时，电池也表现出良好的循环稳定性， 100 个循环后放电电流密度保持为 100μ A /cm，储能容量大于 0.02 mA h/cm 。2. 石墨烯复合物基负极在制备和循环充放电的过程中，石墨烯纳米片（ GNS ）会逐渐聚集，导致大量的片层表面难以被利用。片层的聚集导致材料的活性表面积持续减少，同时材料内部产生了许多不连续的通道，阻碍了离子的快速传输。因此，许多研究者都报道了在石墨烯片层中引入分子，或者将石墨烯组装成为特定的结构，从而阻止片层的聚集。将金属氧化物纳米颗粒引入到石墨烯表面制备的石墨烯复合材料。由于纳米材料间的协同增效作用使其具有良好的功率特性、较高的能量密度和良好的电化学循环稳定性，复合材料在锂离子电池方面具有广泛应用潜力。在目前所有的负极材料中，硅是最具应用前景的材料之一。因为它有很高的自然丰度，低的放电电压和高的理论比容量（ 4200 mAh/g ）。然而，在锂脱嵌过程中，体积变化太大，影响了材料之间的电接触，同时 Si原子在反复的循环过程中会发生团聚，从而会导致比容量快速衰减。国家纳米中心智林杰等通过具有双覆盖物（重叠石墨烯（ G）外皮和还原氧化石墨烯（ RGO ）保护层）硅纳米线（ SiNWs）封装制备出自支撑无粘结剂硅基负极。实验得到的结构（称为 SiNMGRGO ），石墨烯层重叠，阻止封装硅直接暴露于电解液中，使硅纳米线结构和界面稳定。同时，柔性和导电 RGO保护层容纳嵌入 SiNMG 纳米电缆的体积变化，因此保持了 SiNMGRGO 的结构和电学完整性。研究结果表明， SiNMGRGO 表现出高的可逆比电容 1600 mAh/g （ 2.1A/g 下），经过 100个循环，电容保持率为 80，在电极总重量基础上具有优异的倍率性能（ 8.4 A/g 下， 500 mAh/g ）。Tao等在 Ar 氛围下热还原由 Si/GO悬浮液过滤得到的滤膜，制得 Si- 石墨烯纳米复合物膜。首次循环可逆比容量为 1040 mAh/g 。在 50 mA/g 电流密度下，经过 300个循环，容量变为 786 mAh/g 。然而，容量随电流密度从 50增加至 5000 mA/g 迅速下降。热还原 GO和热膨胀石墨烯也被用于制备 Si-石墨烯复合负极。利用热膨胀石墨烯制备的复合材料表现出更高的比容量。Sn 和 SnO2 也是具应用前景的负极材料， Sn 和 SnO2的理论可逆比容量分别为 994 和 782 mAh/g 。 Paek 等报道了具有三维分层柔韧结构的 SnO2-石墨烯纳米孔电极，石墨烯均匀地分布在松散堆积的 SnO2 纳米颗粒间，形成了含有大量孔隙的纳米孔结构。复合材料电极具有810 mAh/g 的可逆比容量，循环性能显著增强。经过 30 次循环后，可逆比容量仍保持 70。这是由于 SnO2 和石墨烯之间形成的孔隙可以有效地缓解充放电过程中的体积变化，从而使得该电极具有优异的循环性能和较高的储锂比容量。TiO 2 是一种环境友好、低成本及环境惰性的材料，可用于功能化石墨烯，并制备锂离子电池负极材料，从而增强其在高速充放电下的电化学性能。中科院金属研究所李峰等通过控制 TiO2 纳米片平行于石墨烯纸表面生长，设计出了各向异性电极，其中 Li 离子嵌入与扩散是各向异性。各向异性电极在超高倍率 100C 下，质量容量为 112 mAh/g （对应于充放电时间为 36s），是参考各向同性电极的 3 倍多。3. 石墨烯基正极Kisuk Kang 等将无支撑石墨烯纸作为柔性负极， V 2O5/石墨烯纸作为正极用于锂离子电池。石墨烯纸是功能化材料，不仅是导电剂，也是集流体。研究发现，石墨烯基柔性电极表现出电化学性能显著增强，如能量密度和功率密度。此外，与非柔性传统电极相比，石墨烯纸具有更好的循环寿命。4. 石墨烯复合材料基正极Ding 等利用共沉淀法制备出了 LiFePO 4-石墨烯复合材料，其中石墨烯作为支架。当阴极材料中仅含有 1.5石墨烯时，在 0.2C 倍率下，初始放电容量为 160mAh/g ，在更高倍率下（ 10C），容量保持在 110 mAh/g 。5. 3D 石墨烯宏观结构作为集流体中科院金属研究所成会明等将正极材 LiFePO 4 和负极材料 Li 4Ti 5O12 分别与石墨烯复合，制备出了 LiFePO 4-石墨烯 /Li 4Ti 5O12-石墨烯为电极的具有高充放电速率的柔性锂离子电池。3D 石墨烯泡沫作为 Li 及电子的通路，同时起到了导电添加剂和集流体的作用。这种电池表现出优异的倍率性能，并且电池的弯折对充放电性能没有影响，并可在 6 分钟内完成充电（达到初始容量的 90），在 100 次循环之后容量保持率在 96。（二）石墨烯在锂 -空气 /O 2 电池中的应用锂 -空气电池作为理想的高比能量化学电源，成为近年来的研究热点。锂 -空气电池具有极高的理论比容量 3828 mA · h/g 和理论比能量 11425 W· h/kg（有机体系，不含氧气质量）。但目前该电池的研究工作正处于起步阶段，有许多基础问题需要研究。2011 年，美国西北太平洋国家实验室（ PNNL ）的 Ji-Guang Zhang 等构建出了可用于锂空气电池的多孔分层石墨烯。这种基于气泡构建的石墨烯结构的形态与破损的蛋壳相似，可大大提高锂空气电池的储能容量。研究人员先将黏合剂与石墨烯相结合，借助黏合剂使石墨烯分散于溶液之中；随后将石墨烯和黏合剂加入水中混合，在溶液中生成气泡，使石墨烯和黏合剂在气泡的周围成形、变硬。当气泡最后爆破时，石墨烯内已经形成了中空的球体，这种微小的黑色粒子直径仅为 3 μm 至 4 μm 。借助建模和扫描电子显微镜，研究人员分析了新型石墨烯的结构及性能，发现每克多孔结构的石墨烯能多储存 1.5 万毫安小时的能量，远胜于使用其他材料的效能。优异的性能归于电极独特的双峰多孔结构，微孔通道能够便于 O2快速扩散，对于 Li-O 2 反应能提供高密度的活性位点。表面含氧基团与 Li 反应形成独立的Li 2O2 纳米颗粒，进而阻碍了 O2 电极中的空气。（三）石墨烯在锂 -硫电池中的应用S 被认为是理想的阴极材料候选之一，理论比容量为 1672 mAh/g （ Li 2S），是基于过渡金属氧化物或磷酸盐传统阴极材料的 5 倍多。文献报道，各种碳 -硫和导电聚合物 -硫复合材料的比容量超过 1000 mAh/g 。然而，在长循环寿命中保持硫阴极高且稳定的容量仍是一个难题。Cao 等合成了一种层状石墨烯 /硫复合材料作为锂硫电池的正极材料。这种复合材料是由一层石墨烯一层硫层状堆积起来的三维三明治结构。该复合材料在 1 C 的倍率下，可逆比容量约为 505mA · h/g。在它的外层包覆一层全氟磺酸薄膜能吸附反应生成的聚硫化物，可提高电池的循环稳定性，循环 100 次后电池的比容量保持在 75以上，而且此复合材料硫含量高达 70（质量分数）。（四）石墨烯基超级电容器电极石墨烯独特的二维结构和出色的物理特性，使其在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层；但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，会使得形成有效双电层的面积减少（一般化学法制备获得的石墨烯具有 200-1200 m2/g）。即使如此，石墨烯仍然可以获得 100～ 230F/g 的比电容。如果其表面可以完全释放，将获得远高于多孔炭的比电容。同时石墨烯片层所特有的褶皱以及叠加效果，可以形成的纳米孔道和纳米空穴，有利于电解液的扩散，因此基于石墨烯的超级电容器具有良好的功率特性。1. 石墨烯基超级电容2012 年，美国加州大学洛杉矶分校 Richard B. Kaner 等发展了激光划片法，利用 DVD刻录机制备微型石墨烯超级电容器。研究人员首先制作了两张 GO 膜，然后将它们分别放入普通 DVD 驱动器中，经驱动器激光照射后，它们被还原成了两张石墨烯薄膜。这两张石墨烯薄膜的导电性能很强（ 1738 S/m），单位重量表面积很大（ 1520 m2/g），并且强度高、柔韧性好。将它们放入电解液中（多种电解液都适用），它们本身即成为电容器的两极而被充电，在几秒钟的时间里存储了超过普通手电用电池的电能。这种电容器重量轻、储电量大、充电时间短、反复充放电 1 万次不影响性能并且即使在高压强下也能稳定放电。2011年， Lei 等人利用插层介孔碳微球（ MCS ）制备了基于石墨烯片的 3D碳。带负电荷的 GO胶体与带正电的介孔二氧化硅微球相互作用，然后经过一个化学气相沉积过程被作为模板用于复制介孔碳微球， GO被逐渐还原为 RGO。二氧化硅微球的转移留下了一个 3D多孔碳结构， MGS插层 RGO片。复合电极也表现出了优异的电化学循环性能，充放电 1000个循环后的电容保持率为 94。2. 多孔石墨烯基超级电容器利用化学活化的方法可以制备出高比表面的石墨烯。 Zhu 等（ Ruoff 课题组）通过化学活化剥落的 GO，得到大比表面积（ BET ）（ 3100m2/g），高导电率和低氧、氢含量的多孔石墨烯。具有原子层壁厚的连续、三维碳网络结构的孔粒径主要分布在 0.6-5nm，这极大地方便了离子输运。有机电解液中，在 5.7A/g 电流密度、 3.5V 的工作电压下，能量密度为 70Wh/kg 。3. 自组装 3D 石墨烯基超级电容器2010 年， Shi 等采用一步水热还原法制备出了自组装石墨烯水溶胶。石墨烯水溶胶具有3D 网络结构，该结构由超薄石墨烯壁和石墨烯片层局部 π -π 堆积形成的交联位点组成。在10 和 20mV/s 扫速下，溶胶电极的比电容的计算值分别为 175 和 152 F/g，在同等条件下，比基于石墨烯团聚颗粒的超级电容器高出了 50。更重要的是，该方法能够用于石墨烯复合材料的制备，进而用于高性能双电层电容器和赝电容器的制备。4. 石墨烯 -导电高分子复合物基超级电容器导电高分子具有芳香环的特征结构，每个碳原子通过 σ 连接相邻的两个碳原子形成环。碳原子平面垂直方向上，碳原子的 2p 轨道形成离域 π 键。导电聚合物是一类赝电容电极材料，其容量远大于基于双电层储能机理的碳材料超级电容器。因此，石墨烯材料与导电聚合物形成的复合材料能够兼顾石墨烯的高比表面积、高电导率和导电聚合物的高比容量，在构建法拉第赝电容器中具有重要的作用。目前，导电高分子聚苯胺（ PANi ）是常见的电极材料之一。在酸性条件下，利用原位聚合法制备化学修饰石墨烯和 PANi 纳米纤维复合物，得到的 GO-PANi 复合物通过氧化还原反应和还原的 PANi 的去质子化被还原为石墨烯 -PANi 。石墨烯 -PANi 基超级电容器比容量为 480 F/g，并具有良好的循环稳定性。5. 石墨烯 -金属氧化物基超级电容器金属氧化物作为赝电容电极材料的研究已经持续了几十年，虽然金属氧化物比容量很高，但金属氧化物的高价格和低电导率难题一直没有被很好地解决，而金属氧化物与石墨烯形成复合材料，可以降低金属氧化物用量，同时提高材料的电导率和有效比表面积。MnO 2 具有快速的氧化还原反应，宽范的工作电压，低的成本，稳定和环境友好的特性，是一类有前景的赝电容器电极材料。 Ruoff 等利用自控氧化还原法将 2-3nm 大小的 MnO 2 颗粒沉积在多孔“活化微波膨胀氧化石墨” （ aMEGO ）碳支架上。制备得到的对称电化学电容器在 1M H 2SO4 中，比电容为 256 F/g， 1000 个循环后电容保持率为 87.7；当修饰 MnO 2后，比电容为 850 F/g。由 aMEGO/MnO2 作为正极， aMEGO 作为负极制备的非对称电化学电容器的功率密度为 32.3 kW/kg （在 20.8 Wh/kg 能量密度下），能量密度为 24.3 Wh/kg （在24.5 kW/kg 功率密度下），经过 5000 个循环后电容保持率为 80.5。（五）总结与展望碳基材料是能量储运 /转化的核心材料，石墨烯作为碳基材料成员之一在具有高能量密度和功率密度的柔性储能器件领域有着广泛的应用前景，主要包括 4 个领域超轻电池 /电容器，超高功率电池 /电容器，柔性电池 /电容器，可打印薄膜电池 /电容器。二、国内产业化进程（一）国家政策支持在新能源领域，国家政策对其进行长期的支撑。“十五”期间，科技部在电动汽车方面进行重大科技专项布局，是我国新能源汽车打基础阶段。 “十一五”期间，在节能与新能源汽车重大项目布局，新能源汽车从打基础到示范考核阶段。“十二五”期间，电动汽车重点专业布局，新能源汽车从示范考核到产业化启动阶段。“十三五”期间，新能源汽车重点专项布局，新能源汽车“纯电驱动”技术转型，到 2020 年，建立起完善的电动汽车动力系统科技体系和产业链。为实现新能源汽车保有量达到 500 万辆提供技术支撑。（二）国内石墨烯产业化进展国内，比亚迪、宁波南车、深圳贝特瑞、宁波墨西科技、鸿纳（东莞）科技、青岛华高能源、宁波维科电池等公司都从事石墨烯储能、动力电池领域的产品开发；清华大学、中科院物理研究所、中科院山西煤化所、北京科技大学等科研单位也在石墨烯储能、动力电池领域应用研究，力求取得突破性进展。1. 比亚迪比亚迪在动力和储能电池技术与应用方面已有十二年的研究经验。最早从 2002 年开始进行 LiFeO 4 正极材料的研究。目前，比亚迪已经具备从原材料（正极、负极、隔膜、电解液）到电动车系统关键部件的全方位产业化能力。比亚迪是中国第一家获得动力电池TS16949 认证的企业。比亚迪电池已经在后备电源、储能、各种车用领域大规模应用。2. 宁波南车新能源科技有限公司2012 年初宁波南车新能源科技有限公司注册成立。 2013 年，宁波南车投资 2.2 亿元建成 2 条国际先进的年产 100 万只超级电容大规模生产线，年产值达到 5 亿元。宁波南车目前主要集中于石墨烯基超级电容的研究。超级电容器用石墨烯材料的要求片层直径小于 5000目，约为 2.6 μm ；表面官能团含量小于 1.0meq/g；金属及其他杂质离子总量小于 400ppm。宁波南车石墨烯基超级电容器的研究内容包括石墨烯结构、石墨烯加入量、石墨烯复合效果、活性碳结构。目前石墨烯基超级电容器的研发方向为 3V/12000F 超级电容器研制，预期完成技术指标包括重量 ≤ 1.3kg；直流内阻 ≤ 0.1mΩ ；循环寿命达 100 万次；质量比能量达 11Wh/kg ；质量比功率达 17kW/kg ；工作电压达 3.0V 的 12000F 有机系超级电容器单体。产品的目标市场是城市轨道交通行业，包括有轨电车和无轨电车。3. 宁波墨西科技有限公司宁波墨西成立于 2012 年 4 月，规划建立千吨级石墨烯生产基地，于 2013 年底建成首期年产 300 吨石墨烯生产线。宁波墨西主要采用插层剥离法实现了具有结构缺陷少、导电及导热性能优异的多层石墨烯的可规模制备。在石墨烯储能、动力电池领域方面，公司目前主要从事石墨烯导电剂的研发及其在电池中的应用研究。通过实验结合理论计算发现，石墨烯片层数为 6-9 层时，作为锂离子电池导电剂性能最优。公司针对水性合浆工艺特点，开发出石墨烯 /SP 复合水性导电浆料产品；针对油性合浆工艺特点，开发出石墨烯 /SP 复合导电剂粉末产品；此外，开发出针对涂层铝箔用石墨烯导电浆料及电池正负极材料用石墨烯导电浆料。石墨烯导电剂应用于磷酸铁锂（ LFP）动力电池的实验结果表明，明显提高了电池在高倍率充分电下的循环寿命。石墨烯导电剂应用于三元材料（ NCM ）动力电池的实验结果表明，含石墨烯极片比含碳纳米管极片有更优异的压实性能，含石墨烯电池的高温存储性能也优于碳纳米管。4. 鸿纳（东莞）新材料科技有限公司鸿纳（东莞）新材料科技有限公司成立于 2012 年 5 月。目前，鸿纳科技已建成世界首条万吨级石墨烯浆料生产线，首次实现了锂离子电池的大规模应用。公司已获得国内主要电动车锂电池生产厂商的认证，并已开始大批量供货。鸿纳科技开发的石墨烯产品 SC Pas1001、SC Pas1002、 SC Pas1003、 SC Pas2001、 SC Pas2002可作为正、负极电极导电材料应用于锂离子、双电层电容器、燃料电池、或其他储能系统。鸿纳石墨烯在锂电池电极中的导电性能比多壁纳米碳管、科琴炭黑及纳米碳纤维高两个数量级，比超导电炭黑及 KS6 石墨高三个数量级。5. 青岛华高能源科技有限公司青岛华高能源科技有限公司成立于 2012 年 12 月。在石墨烯储能、动力电池领域方面，公司主要从事石墨烯在铅酸蓄电池中的应用研究，初步研究结果表明，铅酸石墨烯电池具有内阻小、容量大、充电接受能力强及放电倍率性能高的特性。未来可以满足潜艇等军工领域的应用需要。6. 宁波维科电池有限公司维科电池是致力于锂离子电池生产企业。在石墨烯储能、动力电池领域方面，公司目前主要从事石墨烯导电剂在手机锂离子电池中的应用开发。研究内容包括石墨烯导电剂在495148AR 电池正极中的应用；石墨烯导电剂在 643960AL 电池正极中的应用；石墨烯导电剂在高容量负极中的应用；石墨烯电池中试。研究结果表明，（ 1）提高压实密度，可将钴酸锂极片压实密度由原来 4.1g/cc 提高至 4.3g/cc；（ 2）降低导电剂用量与常规导电剂相比，导电剂使用总量可降低 44；（ 3）降低粘结剂用量可将粘结剂用量降低 16.7；（ 4）提高正极浆料的固含量约 4；（ 5）提高活性物质克容量发挥钴酸锂的克容量可提高1-2mAh/g ；（ 6）提高倍率放电性能 2C 放电容量保持率较常规导电剂提高约 8；（ 7）提高高倍率循环性能 1C 循环 300 周容量保持率较生产电池提高约 4；（ 8）降低电池循环后及长期储存后的内阻变化率；（ 9）使用石墨烯导电剂的电池其安全可靠性能无异常。7. 清华大学清华大学康飞宇课题组主要从事石墨烯导电剂在锂离子电池、石墨烯基纳米复合材料在储能领域的应用研究。研究结果表明，（ 1）与商用炭黑、石墨及多壁碳纳米管相比，石墨烯导电添加剂仅低装载比时（ 2 wt ）表现出更好的性能。（ 2）与单层的石墨烯相比，石墨烯复合材料作为储能材料具有独特的优势，通过“微纳超结构碳”模型实现了离子、电子快速输运，可以构建纳 -微 -宏观的碳基网络，从而组装高性能器件。8. 中科院山西煤化所中科院山西煤化所石墨烯与新能源材料研究组（陈成猛副研究员）在石墨烯储能、动力电池领域方面，主要从事石墨烯基超级电容器的应用研究。研究内容包括影响石墨烯粉体应用性能的关键因素；石墨烯的尺寸效应与电化学行为；不同温度炭化石墨烯形貌及性能转变。导电型石墨烯电导率测定结果表明，与高端炭黑相比，石墨烯在导电填料方面极具优势。石墨烯改性极片的导电性能评测结果表明，同等填充量下，石墨烯改性电极导电率比常规导电剂高 2-3 倍，仅 1/3 的石墨烯用量即可优于商用导电剂的效果。中科院山西煤化所朱珍平课题组主要从事石墨烯 3D 网络在超级电容器、光伏器件、燃料电池的应用研究。研究结果表明，（ 1） 3D 网络石墨烯具有优异的电荷存储性能， 3D 网络石墨烯基双电层电容性能大大优于常规二维石墨烯。（ 2） 3D 网络氮杂石墨烯具有良好的储电性能，在高速充分电过程（ 32 A/g ）中仍可维持高于 200F/g 的电容量。（ 3） 3D 网络石墨烯在光伏器件中，可更有效促进电子传输，延长光生电子寿命；可显著提升光电流产生和太阳能转化效率； 3D 网络石墨烯更有利于电解液的扩散和传输，并对 Sn2-/S2-电解质的氧化还原具有显著的催化作用； 3D 网络石墨烯具有更高效的对 I3 -/I -电解质氧化还原的催化作用； 3D 网络氮杂石墨烯较常规的 Ag 对电极对固体电解质 Spiro 的氧化还原具有更高的催化作用。（ 4） 3D 网络氮杂石墨烯在燃料电池中的催化 O2还原作用，明显优于贵金属 Pt/C 催化剂。9. 北京科技大学北京科技大学范丽珍课题组主要从事石墨烯在锂离子电池和超级电容器领域的应用研究。在超级电容方面，（ 1）基于石墨烯粉体的超级电容器，研究了还原工艺对石墨烯电容性能的影响；（ 2）通过水热法利用不同醇还原制备石墨烯气凝胶，研究发现经乙醇及乙二醇还原得到的石墨烯还原程度高，且在大电流下电容保持率高；（ 3）研究了石墨烯 /氧化镍复合材料基、石墨烯 /聚苯胺复合材料基赝电容，实验结果表明，氧化镍和聚苯胺有效阻止了石墨烯片层的团聚，提高了其比容量；（ 5）石墨烯 /碳复合材料基柔性储能器件的制备，实验结果表明，复合材料的电容性能得到了提高。在锂离子电池方面，主要进行了石墨烯复合负极的研究，包括石墨烯 /硅、石墨烯 /二氧化硅和石墨烯 /钛酸锂三种复合材料，研究结果表明，复合电极具有优异的循环性能和倍率性能。三、问题与建议石墨烯储能应用瓶颈性难题包括（ 1）石墨烯堆密度（ 0.003-0.005 g/ml ）低，器件体积比容量低，结构不紧凑。如对于超级电容器，涂敷厚度同为 80μm 的电极片，活性炭面密度达 30 g/m2，石墨烯仅为 10 g/m2。（ 2）蓬松结构，与集流体附着力差，浆料需加大量粘结剂，内阻显著增大。如活性炭 5 wt ，石墨烯 20 wt 。（ 3）成本极高，短期下降空间有限。如作为主体材料，日本可乐丽 30w/t ，石墨烯中试成本 1000w/吨（ 10 元 /g），即使产业化降到 300w/ 吨（ 3 元 /g），仍是活性炭 100 倍；作为导电填料，最好的科琴黑 600GD 60 w/t，一般添加量 7.5 wt ，对应每吨活性炭的成本 4.5w；石墨烯 G1000-H，一般添加量 2 wt，对应成本 6w 。（ 4）纳米材料低体密度带来的工艺和设备兼容难题。如浆料分散时浮于液面之上、车间粉尘控制、掉渣（附着力问题）。石墨烯的产业化应用有望在动力锂电池领域率先实现。石墨烯在动力锂电池领域有如下两个重要的应用方向，并很有可能在短期内取得重大突破。一个方向是石墨烯复合电极材料，另一个是用石墨烯作为动力锂电池的导电添加剂。石墨烯在储能、动力电池领域有着广泛的应用前景，但从实验室到产业化过程漫长曲折，要实现其真正意义上的产业化应用，需要沉淀一定时期，关键是下游应用和能否进入供应链，这就需要下游企业能够针对自己的产品特性积极提出对石墨烯应用需求，在产业界和学术界的共同努力下推动石墨烯产业化进程。同时，我们需要借鉴碳纳米管产业发展的经验教训，少走弯路，缩短石墨烯产业化发展历程。