亚洲资源网你懂的,在线一区欧美,亚洲精品一二区

新聞直報員供求信息會員

清華大學化工系教授魏飛：碳或將接力硅，成為下一個定義新時代的材料（附熱點問題解答）

文章來源：新材料在線更新時間：2022-10-20 13:50:31

碳納米管擁有一些獨特的性質，或將成為下一代芯片、鋰電池導電劑、導電線等的關鍵材料”

——清華大學化工系教授魏飛

2022年4月16日，在由新材料在線®主辦，新材料企業家成長營共同協辦的“百大名師系列在線課程”上，清華大學化工系教授魏飛作了《納米碳材料的結構控制、宏量制備及鋰離子電池中的應用》主題報告。

魏飛主要從碳納米材料及其應用、結構完美的碳納米管及超強力學性質、碳納米管的批量生產與應用、納米碳包覆制備硅碳負極材料四個方面介紹了碳納米材料目前的研發進展及產業化狀況。

01
碳納米管發展迅速將成為新時代的關鍵材料

從石器時代到青銅時代、鐵器時代、鋼鐵時代，再到以硅為代表的信息時代。人類社會的發展史也是一部材料發展史。“在過去30多年間，碳材料在學術界熱度持續發酵。”魏飛表示，團隊始終堅持初衷，致力于研發出一種源自中國，并能定義一個新時代的材料。

早在二十多年前，美國政府在“國家納米技術計劃”的前言中提出，如果能研發一種強度、韌性為鋼的100倍、密度是鋼的1/6的超強材料，并且原料價格相對低廉。初步的研究發現，碳納米管是此類超強材料的首選。“試想一下，如果碳納米管能夠實現規模制備，將對國家科技、安全、經濟等帶來什么影響呢？”對美國的國家安全、軍事與經濟的重要意義。

清華大學化工系已有22年的碳納米管研究經驗。魏飛介紹道，團隊發現碳納米管擁有一些獨特的性質，或將成為下一代芯片、鋰電池導電劑、導電線等產品的關鍵材料。

“假設我們想拉一根繩子、造一部天梯到近地軌道上，把衛星拽上太空。理論上來說，至少需要20GPa強度的超強材料。但是目前全球性能最優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度，雖然碳納米管在30年前才得到學術界的重視，但在最近短短十幾年間，碳納米管的強度等眾多技術指標均超過了碳纖維。

“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‘天梯太空夢’。”魏飛興奮地表示。

02
趕上電動汽車“大浪潮” 助力優化電池材料導電性

魏飛指出，近年來新能源汽車行業推動著動力鋰離子電池迅速發展，再加上新興的可再生能源行業發展，或將改變全球依賴化石能源的面貌。“碳納米管趕上了新能源發展熱潮的好時機。”

電池材料對導電性的要求高，尤其是磷酸鐵鋰電池。碳納米管技術則有助于優化電池材料的導電性。魏飛分析道，以聚團碳納米管制備的碳漿2.0產品為例，其管徑大、曲折因子高、穩定性弱，并且在動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的管曲折因子小，不纏繞，容易形成高效導電網絡。因此，以碳納米管制作而成的碳漿3.0產品，管徑更細、曲折因子小、易分散、穩定性好，且在動力電池中所需的碳漿用量低。

在實際研究工作中，魏飛團隊發現，碳納米管可實現自催化的協同生長。陣列碳納米管疊層生長速度高，將成長為一種長且直、導電性好、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
碳納米管或將應用于高端芯片

魏飛表示，碳納米管生長過程類似于生物進化，起初是混亂的。一旦發生變異將產生缺陷，導致碳納米管中止生長。目前已經找到有效的方法，可以控制住碳納米管的屬性及缺陷程度。實驗室已經實現了650㎜、4英寸的碳納米管生長。

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度、高韌性、高效、化學穩定性以及碳原材料制備的成本相對較低等特征，控制好其結構，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用于芯片當中，仍有一段路要走。“目前我國碳納米管性能在全球范圍內名列前茅，只可惜目前我國的半導體工業無法跟上，因此碳納米管應用于芯片仍然存在難度。”魏飛最后總結道。

主題演講結束后，針對線上觀眾提出的熱點問題，魏飛教授耐心地進行了答疑解惑，以下為部分整理內容（更多詳細內容，點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、劣勢？國內28納米的芯片工藝是成熟的，碳納米管可以在28納米以上應用嗎？

魏飛：從性質上來講，碳納米管材料與問題中提及的這幾個材料是完全不同的類型。碳納米管的遷移率會比硅基高出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。

應用在28納米以上的芯片工藝，其實還是有很多難點的。因為我們從硅基開始已經有一整套完整且成熟的芯片技術、工藝了。把硅基的那一套方法直接搬到碳基上來，就會出現很多的問題。不僅僅是一個線寬的問題，還有很多工藝需驗證與完善。

再從材料本身來講，IBM給了一個非常清晰的路線圖，對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。個人感覺，還有很長的路要走。

Q2：硅碳負極高倍率充放為什么副反應反而少，是高倍率的循環次數會多過低倍率的循環次數嗎？

魏飛：硅碳負極衰減并不單是因為循環。在過去，大家認為硅碳負極的循環穩定性差，是因為體積膨脹。實際上，我們發現不完全是這樣的。電解液一旦和硅碳負極材料放在一起，就會發生副反應。容量衰減跟循環沒有太大關系，主要是和放置時長相關。高倍率充放時，放置時間短，表面上看起來的循環穩定性就好很多。其實這是個假象。

Q3：碳材料應用在功能涂料上，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。大家普遍認為碳材料與石墨烯的耐腐蝕性相近。我們團隊沒有相關的研究。

實際上，碳同時也是一種促進腐蝕的催化劑。它有催化的性質和電化學性，含碳的鋼的腐蝕性相對高一些。我們團隊做過一些初步的工作，發現了耐腐蝕性的問題。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用之外，在其他領域，比如改性塑料等方面的應用前景如何呢？

魏飛：碳納米管在改性塑料方面的應用前景很大。目前主要是在高端科技領域的改性塑料應用。國外的一些公司做的基本上都是導電復合材料的應用，但是導電復合材料只能應用于一些特種環境。比如說高端相機中大口徑的塑料，碳納米管可以提高它的黑度、抗靜電性和結構強度。

目前仍然需要進一步深入研究，未來碳納米管在改性塑料方面的應用前景是可觀的。

Q5：三維石墨烯和碳納米管存在競爭嗎？各自優劣勢大概是什么？目前三維石墨烯大概發展到什么程度？

魏飛：不構成競爭。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：假設未來在鋰電池導電漿料正極和負極領域，單壁碳納米管的成本大幅度降低，單壁碳納米管會吸引國內企業探索多壁碳納米管市場嗎？

魏飛：目前我不這么認為。未來固態電池的出現，正極、負極都需要很多層包覆層。不同的包覆層在解決不同的反應、導電、離子傳遞等等問題的時候，導電劑粘接劑應該是什么形態？我認為比想象中更加復雜。并不存在“通吃”的技術，更不能認為未來會是單壁碳納米管的天下。控制好碳納米管的結構，同時研發超長、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。

久久精品免费观看_欧美日韩精品电影_91看片一区_日日夜夜天天综合