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清華大學(xué)化工系教授魏飛：碳或?qū)⒔恿瑁蔀橄乱粋€(gè)定義新時(shí)代的材料（附熱點(diǎn)問題解答）
文章來源：新材料在線     更新時(shí)間：2022-10-20 13:50:31
碳納米管擁有一些獨(dú)特的性質(zhì)，或?qū)⒊蔀橄乱淮酒囯姵貙?dǎo)電劑、導(dǎo)電線等的關(guān)鍵材料”


——清華大學(xué)化工系教授 魏飛


2022年4月16日，在由新材料在線®主辦，新材料企業(yè)家成長(zhǎng)營(yíng)共同協(xié)辦的“百大名師系列在線課程”上，清華大學(xué)化工系教授魏飛作了《納米碳材料的結(jié)構(gòu)控制、宏量制備及鋰離子電池中的應(yīng)用》主題報(bào)告。


魏飛主要從碳納米材料及其應(yīng)用、結(jié)構(gòu)完美的碳納米管及超強(qiáng)力學(xué)性質(zhì)、碳納米管的批量生產(chǎn)與應(yīng)用、納米碳包覆制備硅碳負(fù)極材料四個(gè)方面介紹了碳納米材料目前的研發(fā)進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)化狀況。



01
碳納米管發(fā)展迅速 將成為新時(shí)代的關(guān)鍵材料


從石器時(shí)代到青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代，再到以硅為代表的信息時(shí)代。人類社會(huì)的發(fā)展史也是一部材料發(fā)展史。“在過去30多年間，碳材料在學(xué)術(shù)界熱度持續(xù)發(fā)酵。”魏飛表示，團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持初衷，致力于研發(fā)出一種源自中國(guó)，并能定義一個(gè)新時(shí)代的材料。


早在二十多年前，美國(guó)政府在“國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃”的前言中提出，如果能研發(fā)一種強(qiáng)度、韌性為鋼的100倍、密度是鋼的1/6的超強(qiáng)材料，并且原料價(jià)格相對(duì)低廉。初步的研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管是此類超強(qiáng)材料的首選。“試想一下，如果碳納米管能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模制備，將對(duì)國(guó)家科技、安全、經(jīng)濟(jì)等帶來什么影響呢？”對(duì)美國(guó)的國(guó)家安全、軍事與經(jīng)濟(jì)的重要意義。


清華大學(xué)化工系已有22年的碳納米管研究經(jīng)驗(yàn)。魏飛介紹道，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)碳納米管擁有一些獨(dú)特的性質(zhì)，或?qū)⒊蔀橄乱淮酒囯姵貙?dǎo)電劑、導(dǎo)電線等產(chǎn)品的關(guān)鍵材料。


“假設(shè)我們想拉一根繩子、造一部天梯到近地軌道上，把衛(wèi)星拽上太空。理論上來說，至少需要20GPa強(qiáng)度的超強(qiáng)材料。但是目前全球性能最優(yōu)的碳纖維也難以超過7GPa。”魏飛指出，碳納米管就可以做到如此高的強(qiáng)度，雖然碳納米管在30年前才得到學(xué)術(shù)界的重視，但在最近短短十幾年間，碳納米管的強(qiáng)度等眾多技術(shù)指標(biāo)均超過了碳纖維。


“相信未來在大家深入研究之下，碳納米管可以助力人類邁進(jìn)‘天梯太空夢(mèng)’。”魏飛興奮地表示。


02
趕上電動(dòng)汽車“大浪潮” 助力優(yōu)化電池材料導(dǎo)電性


魏飛指出，近年來新能源汽車行業(yè)推動(dòng)著動(dòng)力鋰離子電池迅速發(fā)展，再加上新興的可再生能源行業(yè)發(fā)展，或?qū)⒏淖內(nèi)蛞蕾嚮茉吹拿婷病?ldquo;碳納米管趕上了新能源發(fā)展熱潮的好時(shí)機(jī)。”


電池材料對(duì)導(dǎo)電性的要求高，尤其是磷酸鐵鋰電池。碳納米管技術(shù)則有助于優(yōu)化電池材料的導(dǎo)電性。魏飛分析道，以聚團(tuán)碳納米管制備的碳漿2.0產(chǎn)品為例，其管徑大、曲折因子高、穩(wěn)定性弱，并且在動(dòng)力電池中的添加量要求較大。而單分散的陣列碳納米管形成的直而長(zhǎng)的管曲折因子小，不纏繞，容易形成高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。因此，以碳納米管制作而成的碳漿3.0產(chǎn)品，管徑更細(xì)、曲折因子小、易分散、穩(wěn)定性好，且在動(dòng)力電池中所需的碳漿用量低。


在實(shí)際研究工作中，魏飛團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，碳納米管可實(shí)現(xiàn)自催化的協(xié)同生長(zhǎng)。陣列碳納米管疊層生長(zhǎng)速度高，將成長(zhǎng)為一種長(zhǎng)且直、導(dǎo)電性好、缺陷少的高性能材料。“總體而言，比起使用納米碳纖維，使用疊層生長(zhǎng)的碳納米管的電池的容量等性能將高出不少。”魏飛表示。


03
碳納米管或?qū)?yīng)用于高端芯片


魏飛表示，碳納米管生長(zhǎng)過程類似于生物進(jìn)化，起初是混亂的。一旦發(fā)生變異將產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致碳納米管中止生長(zhǎng)。目前已經(jīng)找到有效的方法，可以控制住碳納米管的屬性及缺陷程度。實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了650㎜、4英寸的碳納米管生長(zhǎng)。


提及碳納米管在未來的前沿探索，魏飛表示，由于碳納米管具備高強(qiáng)度、高韌性、高效、化學(xué)穩(wěn)定性以及碳原材料制備的成本相對(duì)較低等特征，控制好其結(jié)構(gòu)，可以使之成為高端芯片及傳感材料。


盡管如此，距離碳納米管真正應(yīng)用于芯片當(dāng)中，仍有一段路要走。“目前我國(guó)碳納米管性能在全球范圍內(nèi)名列前茅，只可惜目前我國(guó)的半導(dǎo)體工業(yè)無法跟上，因此碳納米管應(yīng)用于芯片仍然存在難度。”魏飛最后總結(jié)道。


主題演講結(jié)束后，針對(duì)線上觀眾提出的熱點(diǎn)問題，魏飛教授耐心地進(jìn)行了答疑解惑，以下為部分整理內(nèi)容（更多詳細(xì)內(nèi)容，點(diǎn)擊文末鏈接查看回放）：


Q1：作為芯片材料，碳納米管和SiC相比有什么優(yōu)、劣勢(shì)？國(guó)內(nèi)28納米的芯片工藝是成熟的，碳納米管可以在28納米以上應(yīng)用嗎？


魏飛：從性質(zhì)上來講，碳納米管材料與問題中提及的這幾個(gè)材料是完全不同的類型。碳納米管的遷移率會(huì)比硅基高出1000倍左右。在這樣的情況下，碳納米管照樣可以做到比較好的芯片性能。



應(yīng)用在28納米以上的芯片工藝，其實(shí)還是有很多難點(diǎn)的。因?yàn)槲覀儚墓杌_始已經(jīng)有一整套完整且成熟的芯片技術(shù)、工藝了。把硅基的那一套方法直接搬到碳基上來，就會(huì)出現(xiàn)很多的問題。不僅僅是一個(gè)線寬的問題，還有很多工藝需驗(yàn)證與完善。


再?gòu)牟牧媳旧韥碇v，IBM給了一個(gè)非常清晰的路線圖，對(duì)碳納米管材料的要求很高。其余問題正逐一得到解決，但是致密化問題較難攻克。即使攻克了致密化問題，接下來還有很多的待解決的問題。個(gè)人感覺，還有很長(zhǎng)的路要走。


Q2：硅碳負(fù)極高倍率充放為什么副反應(yīng)反而少，是高倍率的循環(huán)次數(shù)會(huì)多過低倍率的循環(huán)次數(shù)嗎？


魏飛：硅碳負(fù)極衰減并不單是因?yàn)檠h(huán)。在過去，大家認(rèn)為硅碳負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性差，是因?yàn)轶w積膨脹。實(shí)際上，我們發(fā)現(xiàn)不完全是這樣的。電解液一旦和硅碳負(fù)極材料放在一起，就會(huì)發(fā)生副反應(yīng)。容量衰減跟循環(huán)沒有太大關(guān)系，主要是和放置時(shí)長(zhǎng)相關(guān)。高倍率充放時(shí)，放置時(shí)間短，表面上看起來的循環(huán)穩(wěn)定性就好很多。其實(shí)這是個(gè)假象。


Q3：碳材料應(yīng)用在功能涂料上，可以增加材料的耐腐蝕性能嗎？


魏飛：在這方面，全球有很多的研究。大家普遍認(rèn)為碳材料與石墨烯的耐腐蝕性相近。我們團(tuán)隊(duì)沒有相關(guān)的研究。


實(shí)際上，碳同時(shí)也是一種促進(jìn)腐蝕的催化劑。它有催化的性質(zhì)和電化學(xué)性，含碳的鋼的腐蝕性相對(duì)高一些。我們團(tuán)隊(duì)做過一些初步的工作，發(fā)現(xiàn)了耐腐蝕性的問題。不過不能一概而論，需要深入地分析和研究。


Q4：目前碳納米管除了在電解液中的應(yīng)用之外，在其他領(lǐng)域，比如改性塑料等方面的應(yīng)用前景如何呢？


魏飛：碳納米管在改性塑料方面的應(yīng)用前景很大。目前主要是在高端科技領(lǐng)域的改性塑料應(yīng)用。國(guó)外的一些公司做的基本上都是導(dǎo)電復(fù)合材料的應(yīng)用，但是導(dǎo)電復(fù)合材料只能應(yīng)用于一些特種環(huán)境。比如說高端相機(jī)中大口徑的塑料，碳納米管可以提高它的黑度、抗靜電性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。


目前仍然需要進(jìn)一步深入研究，未來碳納米管在改性塑料方面的應(yīng)用前景是可觀的。


Q5：三維石墨烯和碳納米管存在競(jìng)爭(zhēng)嗎？各自優(yōu)劣勢(shì)大概是什么？目前三維石墨烯大概發(fā)展到什么程度？


魏飛：不構(gòu)成競(jìng)爭(zhēng)。三維石墨烯表面積比碳納米管高出幾倍。一般來講，1000m2/g已經(jīng)是單壁碳納米管較高的比表面積，而三維石墨烯可以做到3000m2/g左右。


Q6：假設(shè)未來在鋰電池導(dǎo)電漿料正極和負(fù)極領(lǐng)域，單壁碳納米管的成本大幅度降低，單壁碳納米管會(huì)吸引國(guó)內(nèi)企業(yè)探索多壁碳納米管市場(chǎng)嗎？


魏飛：目前我不這么認(rèn)為。未來固態(tài)電池的出現(xiàn)，正極、負(fù)極都需要很多層包覆層。不同的包覆層在解決不同的反應(yīng)、導(dǎo)電、離子傳遞等等問題的時(shí)候，導(dǎo)電劑粘接劑應(yīng)該是什么形態(tài)？我認(rèn)為比想象中更加復(fù)雜。并不存在“通吃”的技術(shù)，更不能認(rèn)為未來會(huì)是單壁碳納米管的天下。控制好碳納米管的結(jié)構(gòu)，同時(shí)研發(fā)超長(zhǎng)、沒有缺陷的碳納米管，以改變下一代電池的制備模式，也許是更重要的。
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