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清华大学化工系教授魏飞:碳或将接力硅,成为下一个定义新时代的材料(附热点问题解答)
发布时间: 2022-11-22 10:24 | 【 【打印】【关闭】

  2022年4月16日,在由新材料在线?主办,新材料企业家成长营共同协办的“百大名师系列在线课程”上,清华大学化工系教授魏飞作了《纳米碳材料的结构控制、宏量制备及锂离子电池中的应用》主题报告。 

  魏飞主要从碳纳米材料及其应用、结构完美的碳纳米管及超强力学性质、碳纳米管的批量生产与应用、纳米碳包覆制备硅碳负极材料四个方面介绍了碳纳米材料目前的研发进展及产业化状况。 

  01 

  碳纳米管发展迅速 将成为新时代的关键材料 

  从石器时代到青铜时代、铁器时代、钢铁时代,再到以硅为代表的信息时代。人类社会的发展史也是一部材料发展史。“在过去30多年间,碳材料在学术界热度持续发酵。”魏飞表示,团队始终坚持初衷,致力于研发出一种源自中国,并能定义一个新时代的材料。 

  早在二十多年前,美国政府在“国家纳米技术计划”的前言中提出,如果能研发一种强度、韧性为钢的100倍、密度是钢的1/6的超强材料,并且原料价格相对低廉。初步的研究发现,碳纳米管是此类超强材料的首选。“试想一下,如果碳纳米管能够实现规模制备,将对国家科技、安全、经济等带来什么影响呢?”对美国的国家安全、军事与经济的重要意义。 

  清华大学化工系已有22年的碳纳米管研究经验。魏飞介绍道,团队发现碳纳米管拥有一些独特的性质,或将成为下一代芯片、锂电池导电剂、导电线等产品的关键材料。 

  “假设我们想拉一根绳子、造一部天梯到近地轨道上,把卫星拽上太空。理论上来说,至少需要20GPa强度的超强材料。但是目前全球性能最优的碳纤维也难以超过7GPa魏飞指出,碳纳米管就可以做到如此高的强度,虽然碳纳米管在30年前才得到学术界的重视,但在最近短短十几年间,碳纳米管的强度等众多技术指标均超过了碳纤维。 

  “相信未来在大家深入研究之下,碳纳米管可以助力人类迈进‘天梯太空梦’。魏飞兴奋地表示。 

  02 

  赶上电动汽车“大浪潮” 助力优化电池材料导电性 

  魏飞指出,近年来新能源汽车行业推动着动力锂离子电池迅速发展,再加上新兴的可再生能源行业发展,或将改变全球依赖化石能源的面貌。“碳纳米管赶上了新能源发展热潮的好时机。”

  电池材料对导电性的要求高,尤其是磷酸铁锂电池。碳纳米管技术则有助于优化电池材料的导电性。魏飞分析道,以聚团碳纳米管制备的碳浆2.0产品为例,其管径大、曲折因子高、稳定性弱,并且在动力电池中的添加量要求较大。而单分散的阵列碳纳米管形成的直而长的管曲折因子小,不缠绕,容易形成高效导电网络。因此,以碳纳米管制作而成的碳浆3.0产品,管径更细、曲折因子小、易分散、稳定性好,且在动力电池中所需的碳浆用量低。 

  在实际研究工作中,魏飞团队发现,碳纳米管可实现自催化的协同生长。阵列碳纳米管叠层生长速度高,将成长为一种长且直、导电性好、缺陷少的高性能材料。“总体而言,比起使用纳米碳纤维,使用叠层生长的碳纳米管的电池的容量等性能将高出不少。”魏飞表示。 

  03 

  碳纳米管或将应用于高端芯片 

  魏飞表示,碳纳米管生长过程类似于生物进化,起初是混乱的。一旦发生变异将产生缺陷,导致碳纳米管中止生长。目前已经找到有效的方法,可以控制住碳纳米管的属性及缺陷程度。实验室已经实现了650㎜、4英寸的碳纳米管生长。 

  提及碳纳米管在未来的前沿探索,魏飞表示,由于碳纳米管具备高强度、高韧性、高效、化学稳定性以及碳原材料制备的成本相对较低等特征,控制好其结构,可以使之成为高端芯片及传感材料。 

  尽管如此,距离碳纳米管真正应用于芯片当中,仍有一段路要走。“目前我国碳纳米管性能在全球范围内名列前茅,只可惜目前我国的半导体工业无法跟上,因此碳纳米管应用于芯片仍然存在难度。”魏飞最后总结道。 

  主题演讲结束后,针对线上观众提出的热点问题,魏飞教授耐心地进行了答疑解惑,以下为部分整理内容(更多详细内容,点击文末链接查看回放): 

  Q1:作为芯片材料,碳纳米管和SiC相比有什么优、劣势?国内28纳米的芯片工艺是成熟的,碳纳米管可以在28纳米以上应用吗? 

  魏飞:从性质上来讲,碳纳米管材料与问题中提及的这几个材料是完全不同的类型。碳纳米管的迁移率会比硅基高出1000倍左右。在这样的情况下,碳纳米管照样可以做到比较好的芯片性能。

  应用在28纳米以上的芯片工艺,其实还是有很多难点的。因为我们从硅基开始已经有一整套完整且成熟的芯片技术、工艺了。把硅基的那一套方法直接搬到碳基上来,就会出现很多的问题。不仅仅是一个线宽的问题,还有很多工艺需验证与完善。 

  再从材料本身来讲,IBM给了一个非常清晰的路线图,对碳纳米管材料的要求很高。其余问题正逐一得到解决,但是致密化问题较难攻克。即使攻克了致密化问题,接下来还有很多的待解决的问题。个人感觉,还有很长的路要走。 

  Q2:硅碳负极高倍率充放为什么副反应反而少,是高倍率的循环次数会多过低倍率的循环次数吗? 

  魏飞:硅碳负极衰减并不单是因为循环。在过去,大家认为硅碳负极的循环稳定性差,是因为体积膨胀。实际上,我们发现不完全是这样的。电解液一旦和硅碳负极材料放在一起,就会发生副反应。容量衰减跟循环没有太大关系,主要是和放置时长相关。高倍率充放时,放置时间短,表面上看起来的循环稳定性就好很多。其实这是个假象。 

  Q3:碳材料应用在功能涂料上,可以增加材料的耐腐蚀性能吗? 

  魏飞:在这方面,全球有很多的研究。大家普遍认为碳材料与石墨烯的耐腐蚀性相近。我们团队没有相关的研究。 

  实际上,碳同时也是一种促进腐蚀的催化剂。它有催化的性质和电化学性,含碳的钢的腐蚀性相对高一些。我们团队做过一些初步的工作,发现了耐腐蚀性的问题。不过不能一概而论,需要深入地分析和研究。 

  Q4:目前碳纳米管除了在电解液中的应用之外,在其他领域,比如改性塑料等方面的应用前景如何呢? 

  魏飞:碳纳米管在改性塑料方面的应用前景很大。目前主要是在高端科技领域的改性塑料应用。国外的一些公司做的基本上都是导电复合材料的应用,但是导电复合材料只能应用于一些特种环境。比如说高端相机中大口径的塑料,碳纳米管可以提高它的黑度、抗静电性和结构强度。 

  目前仍然需要进一步深入研究,未来碳纳米管在改性塑料方面的应用前景是可观的。 

  Q5:三维石墨烯和碳纳米管存在竞争吗?各自优劣势大概是什么?目前三维石墨烯大概发展到什么程度? 

  魏飞:不构成竞争。三维石墨烯表面积比碳纳米管高出几倍。一般来讲,1000m2/g已经是单壁碳纳米管较高的比表面积,而三维石墨烯可以做到3000m2/g左右。 

  Q6:假设未来在锂电池导电浆料正极和负极领域,单壁碳纳米管的成本大幅度降低,单壁碳纳米管会吸引国内企业探索多壁碳纳米管市场吗? 

  魏飞:目前我不这么认为。未来固态电池的出现,正极、负极都需要很多层包覆层。不同的包覆层在解决不同的反应、导电、离子传递等等问题的时候,导电剂粘接剂应该是什么形态?我认为比想象中更加复杂。并不存在“通吃”的技术,更不能认为未来会是单壁碳纳米管的天下。控制好碳纳米管的结构,同时研发超长、没有缺陷的碳纳米管,以改变下一代电池的制备模式,也许是更重要的。

  文章来源:新材料在线 

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