中科院上海硅酸鹽所的科學(xué)家們，最近接連取得材料科學(xué)的創(chuàng)新突破。在為我國(guó)首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”研制了BGO晶體這個(gè)探測(cè)暗物質(zhì)的“視網(wǎng)膜”，打造了“悟空”的“火眼金睛”之后，該所的科學(xué)家們又在世界頂級(jí)期刊《科學(xué)》上發(fā)文，宣稱研制出一種高性能超級(jí)電容器電極材料，可用作電動(dòng)車的“超強(qiáng)電池”：充電只需7秒鐘，即可續(xù)航35公里。

充電7秒續(xù)航35公里的“超強(qiáng)電池”材料

何種材料更適合用作電動(dòng)車“超強(qiáng)電池”，長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家并未找到理想材料。中科院上海硅酸鹽所黃富強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，石墨烯是超級(jí)電容器電極的最佳選擇，其研究已于去年12月18日在《科學(xué)》期刊上發(fā)表。

據(jù)了解，這種高性能超級(jí)電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯，具有極佳的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，可用作電動(dòng)車的“超強(qiáng)電池”：充電只需7秒鐘，即可續(xù)航35公里。

超級(jí)電容器，是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。由于具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于混合電動(dòng)汽車、大功率輸出設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。如何讓超級(jí)電容器兼具高功率、高能量，長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家并沒(méi)有找到理想材料。目前超級(jí)電容器應(yīng)用已形成一個(gè)非?？捎^的市場(chǎng)規(guī)模，近年來(lái)保持近20%的全球增長(zhǎng)率，產(chǎn)業(yè)前景突出。但現(xiàn)有超級(jí)電容器，仍受限于低能量密度(商用活性炭：5～7瓦時(shí)/公斤)，遠(yuǎn)不如鋰電池(>80瓦時(shí)/公斤)，原因在于較低的比容量(

為破解這一難題，中科院上海硅酸鹽所聯(lián)合北京大學(xué)、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)展開(kāi)持續(xù)攻關(guān)。黃富強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)，石墨烯是超級(jí)電容器電極的最佳選擇。同屬炭族的石墨烯，因擁有高比表面積、優(yōu)良導(dǎo)電率和穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，已經(jīng)成為國(guó)際研發(fā)熱點(diǎn)，并有望成為下一代高性能超級(jí)電容器的理想電極材料。

據(jù)科學(xué)網(wǎng)報(bào)道，黃富強(qiáng)研究員、陳一葦教授、林天全博士等設(shè)計(jì)合成的一種氮摻雜的有序介孔石墨烯，具有極佳的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，比容量高達(dá)855法拉/克。組裝成的對(duì)稱器件能快速充電和快速放電，不亞于商用碳基電容器。專家表示，它的優(yōu)性源于：氮摻雜誘生了氧化還原反應(yīng)，既增加了電化學(xué)儲(chǔ)能活性，又沒(méi)有降低材料的高導(dǎo)電率。所研制的對(duì)稱器件在水溶液中工作安全無(wú)毒，能量密度為41瓦時(shí)/公斤(基于活性物質(zhì)為63瓦時(shí)/公斤)，功率密度達(dá)到26千瓦/公斤(基于活性物質(zhì)為44千瓦/公斤)。

據(jù)了解，這種新型石墨烯超級(jí)電容器可以采用低成本制備，實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、合成，黃富強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，氮摻雜有序介孔石墨烯的性能表現(xiàn)最佳。不僅能實(shí)現(xiàn)高能量密度、高功率密度，而且還可以通過(guò)使用水基電解液，做到無(wú)毒、環(huán)保、價(jià)格低廉、安全可靠。

權(quán)威專家表示，因性能較鉛酸、鎳氫等電池有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在快速充放方面又遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋰電池，它的研制成功對(duì)推動(dòng)我國(guó)超級(jí)電容器的行業(yè)發(fā)展，提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，具有重要的意義。

暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星的“視網(wǎng)膜”

來(lái)自中科院上海硅酸鹽所的科學(xué)家們，前不久還為“悟空”打造了“火眼金睛”。

據(jù)該所網(wǎng)站介紹，2015年12月17日上午8時(shí)12分，我國(guó)首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”成功發(fā)射升空?？蒲腥藛T為該衛(wèi)星的研制提供了初樣和正樣共計(jì)640根600mm長(zhǎng)的鍺酸鉍(Bi4Ge3O12，BGO)晶體，為我國(guó)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星有效載荷的成功研制及其發(fā)射提供了重要保障。

BGO晶體是與可能的暗物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)物(主要為高能電子和伽馬射線)作用的直接媒介，如果把BGO量能器比作衛(wèi)星探測(cè)暗物質(zhì)的“眼睛”，600mm長(zhǎng)的BGO晶體則是該衛(wèi)星探測(cè)暗物質(zhì)的“視網(wǎng)膜”。

該衛(wèi)星是國(guó)際上已知觀測(cè)能段范圍最寬和能量分辨率最優(yōu)的空間探測(cè)器，也是我國(guó)歷史上首顆大型空間探測(cè)裝置，其最核心的載荷是由14層，每層22根，共計(jì)308根尺寸為25×25×600mm3的BGO晶體和光電倍增管構(gòu)成的BGO量能器，每根600mm長(zhǎng)BGO晶體的兩端各耦合1只光電倍增管形成1個(gè)探測(cè)單元，308個(gè)探測(cè)單元以相鄰兩層、正交排列方式形成輻射長(zhǎng)度達(dá)32X0的立體探測(cè)矩陣。該衛(wèi)星有效載荷重約1400公斤，其中BGO晶體重達(dá)824公斤，晶體與有效載荷重量比例約59%，可謂“BGO晶體衛(wèi)星”。

600mm長(zhǎng)晶體作為衛(wèi)星有效載荷BGO量能器的唯一候選探測(cè)材料，該尺寸晶體的研制和量產(chǎn)是BGO量能器、衛(wèi)星有效載荷乃至衛(wèi)星系統(tǒng)研制成功的基本前提之一。雖然BGO晶體在核醫(yī)學(xué)、粒子物理、核物理、天體物理和石油測(cè)井等輻射探測(cè)領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，但目前國(guó)際上已報(bào)道最長(zhǎng)的BGO晶體僅為400mm長(zhǎng)，離600mm還有很大差距。更長(zhǎng)尺寸BGO晶體的生長(zhǎng)是對(duì)晶體制備科學(xué)和技術(shù)的全新挑戰(zhàn)，許多業(yè)內(nèi)專家甚至認(rèn)為這是不可能完成的任務(wù)。

在中科院空間科技先導(dǎo)等項(xiàng)目的支持下，從2011年6月起，上海硅酸鹽所王紹華帶領(lǐng)的中試生產(chǎn)一線(BGO研究組)科研人員在國(guó)際上率先開(kāi)展了600mm長(zhǎng)BGO晶體的制備科學(xué)與技術(shù)研究。在歷時(shí)兩年左右的持續(xù)研究與不斷嘗試中，科研人員逐步解決了原料處理、生長(zhǎng)設(shè)備、生長(zhǎng)工藝、加工工藝以及性能表征等一系列關(guān)鍵技術(shù)與科學(xué)問(wèn)題，先后實(shí)現(xiàn)了600mm長(zhǎng)晶體的成功制備與量產(chǎn)，使上海硅酸鹽所成為世界上能研制并量產(chǎn)該長(zhǎng)度BGO晶體的唯一供應(yīng)商，并保持著生長(zhǎng)BGO晶體長(zhǎng)度的世界紀(jì)錄。