石墨烯可控设备与光电储能应用

石墨烯可控制备与光电及储能应用黄富强，王耀明，林天全，毕辉中国科学院上海硅酸盐研究所2019年06月4日 中国·上海 石墨烯的发现：一支铅笔引发的材料革命 诺贝尔奖 Andre GimKonstai Novselv20年“搞笑诺贝尔奖”201年诺贝尔物理奖 利用磁悬浮技术浮起一只活青蛙飞翔的青蛙 石墨烯的物理化学特性优异的电学特性高载流子迁移率（温度影响小）超密百万倍于铜透光~97.%良好的热传导特性 50 W/mK（10倍于铜）优越力学能杨氏模量1 TPa强度30G0钢超高比表面积26 m2/g石墨烯格：刚柔并济石墨烯是世界上最薄、最轻、强的材料 柔性电子产品的理想材料支撑后摩尔时代关键为新能源发展提供新机遇 石墨烯在信息与能源领域的应用传感器太阳能电池触摸屏射频感应器显示器折叠显示器 柔性太阳能电池超级容器 石墨烯薄膜的光电应用•透明电极平板显示器(柔性显示器)太阳能池可折叠太阳能电池)的薄膜晶体管触摸屏•传感器•场发射体 •薄膜电路•节能红外反膜•汽车窗导热玻璃… 6 一、高性能石墨烯的可控制备 性能最好的石墨烯：胶带玻璃法 存在的问题：过程危险、产生废水、产品质量差 Batch 20g H2SO4(con.) +KMGOGORGO 石墨烯的化学剥离法石墨烯粉体的常规宏量制备 类胶带撕裂球磨法制备高质量石墨烯粉体 Energy viron. Sci 2013, 6283. 样品品质杂质 导电率S cm-1迁移率c2v-1sS-GR +few -OH8200O-,C.316C2-GR+-OH24O-,C95%。方块电阻为.1oh远低报道(0.-1)低温性能超好-压缩形变的重复好 石墨烯应用于CIGS薄膜太阳电池作为CIGS电池底极界面层，显著阻止了MoSe2层的形成，有利于减少串联阻，提高短路电流和填充因子 电池性能持续提升,最高转换效率达18.2% 石墨烯基CIGS薄膜太阳电池效率超过18% 通过元素进程扩散设计和热力学-动控制手段实施，可现CIGS薄膜在极短时间内（5分钟）完成高质量生产，相比传统技术的30分钟（或60）工艺节省83-9%，大幅节省备投入、能耗人。石墨烯基CIGS电池RTP备：工艺时间节83-9%！ 项目每平米成本(元/) 每瓦成本(元/)材料成本玻璃：5铜铟镓硒2.8其他4300.75折旧设备53./(7.亿/ MW，7年折旧)厂房6110.368运营人力资源.平米(5人平均万/)仓储输：2.0元29m3仓储空间销成本.8(310销售量) 0.15能耗真空设备4/(/度)RTP处理1.3总计1. 08首条30 MW产线品成本：1.8元/p材料57%折旧2运营9能耗（目前晶硅电池的~.6瓦）57折旧32%运营9能耗2石墨烯基CIGS薄膜太阳电池成本可达1.3元/Wp Jsc(mA-2)Voc()FPCE(%)x=0RevrScanFowd0.8911.028.7641.253x=0.5RevrsScanFod2.4911.098.761.8石墨烯应用于钙钛矿薄膜太阳电池在钙钛矿薄膜太阳电池的吸光层中加入少量石墨烯，明显提高了的短路电流，并且大幅提高了稳定性。 三、高性能石墨烯的储能应用 石墨烯是超级电容器电极的最佳选择 石墨烯：高比表面积有利于产生高能量密度 超高导电性有利于保持高功率密度化学结构丰富有利于引入赝电容，提高能量密度 特殊的电子结构有利于能带调控，优化结构-性能关系 几种常见的碳基电极材料比较 刻蚀模板镍催化 介孔氧化硅模板 氮掺杂有序介孔石墨烯 氮掺杂有序介孔石墨烯：高性能超级电容器极材料高比表面积（1580 m2/g）高双电层容高能量密度 氮合理掺杂引入化学反应产生大量赝导电性360 S/c荷可快速迁移功率有序多孔结构电扩散路途短高密度水基解液无毒、环保价格低廉、安全靠 H2SO4Li 水基超级电容器：7秒钟充完能量密度41Wh/kg9.5L 功率：26/1.k循环寿命50,次 安全可靠Scien2015, 3 (627), 1508-2Supercaitor/ByCapcitne(F/g)Ergy Density(Wh/k)Power Dnsity(kW/g)Or wk854163264Activaed crbon10-2-80.5-L i -30-9.3Nickel mtal-hydrie-5-80.Li-on b-70-2.- 高能量、功率长寿命、可靠的超级电容器 石墨烯基锂离子电池最新进展基于前期的碳材料，研发了高功率长寿命、高比能量三元动力电池。 15C倍率快速充电5C倍率快速充放电循环1.4Ah石墨烯磷酸铁锂电池石墨烯基三元锂电池模组4min满、寿命4,0次的功型锂池。 29能量密度250Wh/kg（目前市场20h/kg）、循环寿命1,0次型动力电池；可满足电动汽车长续航里程50km的要求。 谢谢！