专家推荐国家技术发明奖项目公示 doc.docx
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专家推荐国家技术发明奖项目公示doc
专家推荐国家技术发明奖项目公示
项目名称
高性能锂离子电池用石墨和石墨烯材料
推荐专家1姓名
陈立泉
推荐专家1工作单位
中国科学院物理研究所
推荐专家1职称
研究员/中国工程院院士
推荐专家1学科专业
电化学
推荐专家1意见：
（注意：
多名专家联合推荐时，推荐意见内容可各有侧重，推荐等级应一致。
）
锂离子电池已经在消费电子、电动汽车和储能等领域得到广泛应用，对汽车产业的升级和风能、太阳能等新能源的利用具有重要的意义。
然而锂离子电池的能量密度、充电速率和成本等方面还不能满足市场的要求。
改善锂离子电池中石墨负极材料的性能是解决上述问题的关键因素之一。
康飞宇教授研究团队针对天然鳞片石墨和微晶石墨负极材料的深加工技术，经过多年研究和开发，取得了突破性进展。
发明了双氧水/浓硫酸共插层天然鳞片石墨改性和微膨化技术，获得了可快速充电、低硫、碳包覆微膨鳞片石墨负极材料，显著提高了商用天然鳞片石墨负极的快速充电性能、宽使用温度范围和循环寿命。
发明了表面碳包覆和间隙碳钉扎层微晶石墨复合改性技术，获得了具有优异高倍率充放性能和高首周库仑效率的微晶石墨负极材料，推动了天然微晶石墨负极的商业化应用。
发明了低温负压制备石墨烯并在墨烯片上打孔的制备技术，开发了可快速充放电锂离子电池的正极导电剂，可大幅降低导电剂的用量，提高了电池的体积能量密度。
上述成果已在深圳市翔丰华科技有限公司、内蒙古瑞盛新能源有限公司、鸿纳（东莞）新材料科技有限公司等单位实现了规模化生产和应用。
相关产品与技术已应用于比亚迪股份有限公司、东莞新能源科技有限公司、宁德时代新能源科技有限公司等国内锂电龙头企业和美国加利福尼亚州锂电池公司。
该项目突破了多项石墨材料制备和应用关键技术，并在产业化应用方面取得了很好的经济和社会效益。
推荐该项目为国家技术发明奖一等奖。
推荐专家2姓名
邹广田
推荐专家2工作单位
吉林大学
推荐专家2职称
教授/中国科学院院士
推荐专家2学科专业
物理学
推荐专家2意见：
（注意：
多名专家联合推荐时，推荐意见内容可各有侧重，推荐等级应一致。
）
天然石墨深加工产品在电子、核能、航天、航空、能源、环保等领域有着广泛的应用，在国防、军工领域更是不可或缺，可膨胀石墨和石墨烯是天然石墨深加工的重要产品，其传统制备过程能耗高，污染严重。
传统制备可膨胀石墨的方法是用浓硫酸进行插层氧化，浓硫酸使用量大，制备过程对环境的污染严重，同时插层效率较低。
该项目突破了传统思路，创造性地提出了双氧水和浓硫酸共插层天然石墨，不但提高了插层效率，减少了插层剂对环境的污染，同时通过调控插层剂比例控制脱插过程实现了膨化程度可控的石墨材料制备。
以此项技术为基础，发明了可快速充电微膨改性石墨负极和石墨烯导电剂的制备和应用技术：
1）发展了具有优异电化学性能可快速充电的碳包覆微膨改性石墨负极。
该材料“核”为石墨层间化合物脱插后得到的微膨石墨，具有纳米-微米级孔隙和大量缺陷，可以缓冲循环过程中石墨的体积变化，提高快速充电能力；“壳”为有机物热解得到的结构稳定的无定形碳，能够降低改性石墨首次不可逆容量。
材料显示了较好的比容量和优异的快速充放电性能和循环性能。
2）发明了石墨烯的低温负压剥离制备方法。
提出了氧化石墨新的剥离机制，突破了氧化石墨的解理温度阈值，创造性地通过营造负压环境，在低温下官能团气化脱除时氧化石墨形成“片层内外足够的压力差”，将常用的化学剥离温度从1000℃降低至200℃，首次在低温的温和条件下获得完全剥离的高品质石墨烯片。
此项技术为制备石墨烯导电剂奠定了理论和方法基础。
石墨烯导电剂已经实现产业化，在动力电池中得到良好的应用。
该项目突破了可膨胀石墨及石墨烯材料制备和应用的关键技术，材料制备技术在节能减排方面也具有重要意义。
推荐该项目为国家技术发明奖一等奖。
推荐专家3姓名
南策文
推荐专家3工作单位
清华大学
推荐专家3职称
教授/中国科学院院士
推荐专家3学科专业
材料科学与工程
推荐专家3意见：
（注意：
多名专家联合推荐时，推荐意见内容可各有侧重，推荐等级应一致。
）
我国是石墨的资源大国，但是高端石墨产品却一直受制于国外发达国家。
该项目立足于我国丰富的石墨资源，发明了高附加值的天然鳞片石墨和微晶石墨深加工技术，制备高性能的石墨负极材料和新型的石墨烯导电剂，解决了基于传统石墨材料的动力电池快充性能差和能量密度低的问题。
在石墨深加工技术上，该项目取得了两大突破。
第一，突破了传统硫酸插层石墨技术工艺效率低的瓶颈，利用双氧水和浓硫酸共插层提高了插层效率，减少了硫酸使用量，获得了低硫可膨胀石墨；第二，突破了氧化石墨热剥离制备石墨烯的高温技术瓶颈，将所需的1000℃高温通过引入负压成功降低到200℃，获得了高品质石墨烯。
其技术成果在内蒙古瑞盛新能源公司成功实现转化，推动了国内高端石墨产品的开发。
基于项目的技术突破，获得了三个系列的高性能石墨负极材料并成功实现产业化和市场化。
第一，获得了具有快充性能和长循环寿命的改性天然鳞片石墨负极材料；第二，获得了具有快充性能的改性微晶石墨负极材料；第三，获得了具有高容量和长循环寿命的硅碳复合负极材料；从而打破了我国石墨市场长期以来被国外高端石墨负极材料垄断的局面。
该项目还延伸到新型石墨烯材料，提出了以石墨烯为新型电池导电剂的应用技术，显著降低了导电剂在电池中的比例，提高了动力电池的能量密度，打破了国内石墨烯产业有产品无市场的局面。
该项目技术发明具有重大科学意义，产生了良好的经济效益和社会效益。
推荐该项目为国家技术发明奖一等奖。
项目简介：
该项目属于无机非金属材料中的石墨及碳素制品制造技术。
天然石墨在电子、能源、核能、航空航天及国防等领域具有广泛的应用，是重要的战略物资。
我国天然石墨储量、产量均居世界首位，然而，精细加工水平落后，产品附加值低。
日美等发达国家基于我国廉价的天然石墨原料，深加工成先进石墨产品，在民用高附加值制品和国防领域形成垄断局面。
为适应新能源存储和电动汽车的发展，高比能、高功率、高安全性和长寿命是锂离子电池的发展方向。
石墨作为锂离子电池的主要负极材料，其快速充电性能差、正极材料电子传输性能差成为制约上述性能提升的主要瓶颈。
该项目在对碳/石墨相关科学问题长期深入研究基础上，发展了一系列天然石墨精细加工技术，开发了可快速充电的石墨基负极材料和高性能石墨烯基导电剂，打破了我国高端石墨产品匮乏，石墨高附加值加工技术长期被国外垄断的局面，成果成功实现技术转化和产业化。
项目主要发明点：
1、发明了双氧水/浓硫酸共插层天然鳞片石墨改性和微膨化技术，两种插层剂的协同作用显著提高了插层效率，实现了低硫、优质可膨胀石墨的低成本制备；在此基础上发展了可快速充电、低硫、碳包覆微膨改性石墨负极材料，显著提高了商用天然鳞片石墨负极材料的快速充电性能、宽使用温度范围和循环寿命；发明了表面碳包覆和间隙碳钉扎层微晶石墨复合改性技术，获得了具有优异高倍率充放性能的微晶石墨负极材料，推动了天然微晶石墨负极的商业化应用。
2、发明了低温负压制备石墨烯的方法，突破了氧化石墨的解理温度阈值，将氧化石墨解理温度从1000℃降至200℃，在200℃的温和条件下实现了高品质、低缺陷石墨烯的低成本、宏量制备；提出了电极材料-石墨烯“点-面”接触电子快速输运模型，开发了可快速充放电锂离子电池的正极导电剂，可大幅降低导电剂的用量，提高了电池的体积能量密度；发现了石墨烯对锂离子传输的位阻效应，并针对此发明了多孔石墨烯导电剂和石墨烯/导电炭黑二元导电剂的制备技术，发展了其在不同正极体系（纳米磷酸铁锂、微米钴酸锂和三元材料）中的应用技术，解决了传统导电剂导电效率低、应用量大的问题。
3、发明了高容量嵌硅多孔碳与石墨烯层三明治结构负极材料的制备方法，发展了膨胀石墨/纳米硅和石墨复合负极材料及其在凝胶电解质电池中的应用技术，有效改善了硅/碳负极在实用化过程中结构粉化、电极膨胀问题，提高了高温与大倍率循环性能。
基于上述创新技术开发的可快充石墨负极材料和石墨烯导电剂组装的电池具有良好的快速充电、放电、循环和高低温性能。
该项目共获得授权发明专利35项，相关研究内容发表SCI论文38篇；项目成果已在深圳市翔丰华科技有限公司、内蒙古瑞盛新能源有限公司、鸿纳（东莞）新材料科技有限公司等单位实现了规模化生产和应用，取得了显著的经济效益和社会效益。
相关产品与技术主要应用于比亚迪股份有限公司、东莞新能源科技有限公司、宁德时代新能源科技有限公司等国内锂电龙头企业和美国加利福尼亚州锂电池公司。
客观评价：
1、鉴定意见
2004年10月21日，教育部组织专家鉴定了由清华大学主持完成的“天然石墨的深加工技术开发”，由沈曾民为主任，徐永模为副主任的鉴定委员会认为：
“多孔石墨和高纯石墨微粉生产技术处于国内行业先进水平，采用的硫酸-高比例双氧水（浓度30%-35%）制备优质低硫可膨胀石墨技术在国际上属于先进技术，该成果对于我国石墨深加工产业的发展具有示范作用，并具有很大的推广价值和应用空间。
”
2016年12月30日，受教育部委托，在北京由清华大学主持召开了“高性能锂离子电池用石墨和石墨烯材料”项目的技术成果鉴定会。
由陈立泉院士为主任，俞大鹏院士为副主任，成会明院士、赵进才院士、吴锋教授、智林杰研究员、宋怀河教授、梁成都教授级高级工程师和刘卫平高级工程师等专家组成鉴定委员会，认为：
“该项目开发的可快充石墨负极材料和石墨烯导电剂组装的电池具有良好的快速充电、放电、循环和高低温性能；开发的微膨改性鳞片石墨负极材料、微晶石墨负极材料、低温负压解理石墨烯及石墨烯基导电剂应用技术成果达到了国际领先水平，实现了天然石墨及石墨烯在可快速充电和宽使用温度范围锂离子电池中的应用，推动了我国丰富的天然石墨资源深加工技术和锂离子电池材料技术的发展。
”
2、应用单位评价
2007年12月20日，东莞新能源科技有限公司使用本项目研制的改性天然微晶石墨负极材料批量制备了锂离子电池，该电池具有优异的快速充电性能和高低温循环性能，该材料达到电动车使用要求，已广泛应用于动力型锂离子电池产品。
2010年9月，该项目碳包覆微膨改性鳞片石墨负极材料制备技术在深圳市翔丰华科技有限公司实现技术转化和产业化生产，产品批量应用于比亚迪股份有限公司生产的锂离子电池，具有良好大电流充放电性能和循环性能，该电池已成功应用于比亚迪股份有限公司的电动车和储能产品。
该项目低温负压解理方法制备的石墨烯产品具有良好的润湿性和低的缺陷度，产品在加利福尼亚锂电池公司制备的石墨烯/硅负极材料得到应用，实现了良好的电化学性能和较高的能量密度。
该项目导电剂技术成果成功实现产业化，批量应用于比亚迪股份有限公司锂离子电池，具有良好的大电流充放电性能和循环性能。
3、项目国际学术评价
（1）该项目发明的氧化石墨低温负压解理机制得到同行广泛认可，而低温负压解理方法也成为实现石墨烯宏量制备的重要方法之一。
石墨烯高温化学解理方法的提出者、美国威廉玛丽大学H.C.Schniepp教授（JMaterChem2012,22,24992）在其对石墨烯化学解理的评述中将项目提出的低温化学解理评价为石墨烯制备的代表方法；这种方法制备的石墨烯兼具良好导电性和润湿性、具有独特表面化学，呈现优异的电化学和吸附性质，是重要的电极材料（R.Ruoff等，Science2011,332,1537）。
（2）在石墨烯导电剂应用中，平衡离子和电子传递被认为是石墨烯导电剂的设计原则，对高性能锂离子电池的研发具有重要的指导意义。
包括加拿大西安大略大学的XueliangSun教授（EnergyEnvironSci2012,5,5163）和清华大学石高全教授（EnergyEnvironSci,2011,4,1113）在内的多篇权威评述论文对石墨烯“面-点”导电网络进行了详细评述，认为相关成果对石墨烯的规模应用奠定了基础。
美国RensselaerPolytechnicInstitute的N.Koratkar教授（NanoEnergy2012,1,518）和国家纳米中心的智林杰研究员（EnergyEnvironSci2015,8:
456）则认同申请人提出的“兼顾离子和电子传递是石墨烯导电剂和碳包覆层的设计原则”。
相关工作被Science、ChemRev、ChemSocRev等评述和引用。
（3）加州理工学院的JonathanG.C.Veinot教授对嵌硅多孔碳层与石墨烯层相互堆叠的硅碳负极进行了高度评价（AngewChemIntEdit,2016,55,2322），认为项目发明的嵌硅多孔碳层与石墨烯层相互堆叠的三明治结构硅碳复合负极材料对提高硅材料的性能具有重要的作用。
该项目发明的纳米硅无定型碳复合锂离子电池负极材料及其制备方法也得到了同行高度评价，韩国先进科学及技术研究所的Il-DooKim教授认为通过同轴电纺技术制备硅碳核壳纤维制备过程简单，结构可控，有望进一步提高电池性能（J.Mater.Chem.A,2016,4,703）；韩国蔚山国家技术研究所的Hyun-KonSong教授评价微膨改性石墨是一种有效提高石墨负极比容量的方法（ACSNano,2012,6,10770）。
4、国际学术影响
项目研究成果受到国际学术界和产业界的广泛关注。
项目第一完成人康飞宇教授担任共同主席组织了2002、2011年两届世界碳会议（CARBON2002、CARBON2011），和第15届层间化合物国际会议（ISIC15）；发起并作为共同主席组织了14届中日韩炭材料学术研讨会。
这些会议已经成为碳材料领域的经典论坛。
康飞宇教授任国际著名学术刊物《Carbon》编委、《新型炭材料》（SCI）期刊副主编、中国石墨烯产业技术创新战略联盟专家委员会主任。
项目第二完成人杨全红教授为《Carbon》、《EnergyStorageMaterials》、《ScienceChinaMaterials》和《新型炭材料》等杂志编委，应邀在国际碳材料会议上多次做主旨报告和主题报告。
5、承担项目及评价
该项目执行期间共承担完成了国家“十五”科技攻关项目“天然石墨的深加工技术开发（2001BA901A05）”，开发的硫酸-高比例双氧水制备优质低硫可膨胀石墨技术在国际上属于先进技术，得到广泛推广应用；国家“十一五”支撑项目“新型电池用天然石墨材料的制备技术研究（2008BAE60B08）”开发的改性微晶石墨负极材料已经广泛应用于动力型锂离子电池产品；国家自然科学重点基金项目“储能用纳米炭材料的设计原理、制备科学及应用研究（50632040）”开发了层次孔和石墨烯基复合材料，阐明了电化学过程中电子、离子在纳米炭材料中孔隙及表面的传递和储存规律，为其在新能源领域的应用奠定理论基础；国家自然科学基金面上项目“石墨烯的低温负压化学解理制备及其宏观织构的调控（51072131）”发展了低温负压解理制备石墨烯方法并作为导电剂得到广泛应用；广东省珠江人才计划创新创业团队“储能与电动车动力电池系统和低碳技术研究（2009010025）”实现了电动车电池用可快充点石墨负极的开发；“国家自然科学重点基金”和“广东省能源与环境材料创新团队”的验收结果为“优秀”。
推广应用情况：
项目成果已在深圳市翔丰华科技有限公司、内蒙古瑞盛新能源有限公司、鸿纳（东莞）新材料科技有限公司等单位实现了规模化生产和应用，取得了显著的经济效益和社会效益。
相关产品与技术主要应用于比亚迪股份有限公司、东莞新能源科技有限公司、宁德时代新能源科技有限公司等国内锂电龙头企业和美国加利福尼亚州锂电池公司。
应用单位名称
应用技术
应用的起止时间
应用单位
联系人/电话
应用情况
内蒙古瑞盛新能源有限公司
①可膨胀石墨制备技术
②微晶石墨改性技术
③石墨烯制备技术
2013.01-至今
xx
①双氧水和浓硫酸共插层天然石墨制备低硫优质可膨胀石墨；
②以微晶石墨为骨料，乳化沥青作粘结剂，产业化制备核壳结构微晶石墨负极材料。
深圳市翔丰华科技有限公司
①碳包覆微膨改性石墨负极材料制备技术
②硅碳复合负极材料制备技术
2010.09-至今
xx
①碳包覆微膨改性石墨负极材料实现规模化生产，产品在储能与动力锂离子电池负极材料实现规模化应用；
②硅碳复合负极材料在储能与动力锂离子电池负极材料实现示范应用。
鸿纳（东莞）新材料科技有限公司
①石墨烯导电剂制备和应用技术
②石墨烯基导电剂/导电炭黑二元导电剂制备合应用技术
2013.01-至今
xx
石墨烯导电剂实现了规模化制备，产品在储能与动力锂离子电池得到广泛应用。
主要知识产权证明目录：
知识产权类别
专利名称
国家
（地区）
授权号
授权日期
证书编号
权利人
发明人
发明专利有效状态
发明专利
以乳化沥青作粘结剂的人造石墨制品及其制备方法
中国
ZL201110456649.0
2014-06-11
第1419158号
清华大学
有效专利
发明专利
一种多孔导电添加剂及其制备方法、锂离子电池
中国
ZL201210582083.0
2015-04-01
第1022642号
清华大学深圳研究生院
有效专利
发明专利
一种核壳结构的碳质锂离子电池负极材料及其制备方法
中国
ZL200610011611.1
2008-08-20
第421796号
清华大学
有效专利
发明专利
使用硫酸双氧水制造低硫可膨胀石墨的方法
中国
ZL200410090866.2
2007-02-07
第307826号
清华大学
有效专利
发明专利
高电化学容量氧化石墨烯及其低温制备方法和应用
中国
ZL200810151807.X
2010-08-04
第654512号
深圳清研紫光科技有限公司
有效专利
发明专利
氧化石墨烯水凝胶的固液界面自组装制备方法及应用
中国
ZL201110062409.2
2012-11-14
第1081322号
天津大学
有效专利
发明专利
高功率型锂离子电池负极材料及其制备方法和负极片
中国
ZL201210114431.1
2015-03-25
第1602057号
清华大学深圳研究生院
有效专利
发明专利
炭包覆石墨微粉的制备方法
中国
ZL02125715.9
2005-10-12
第
231739号
清华大学
有效专利
发明专利
一种石墨烯材料及其制备方法
中国
ZL201310283956.2
2016-08-31
第2218939号
清华大学深圳研究生院
有效专利
发明专利
纳米硅无定型碳复合锂离子电池负极材料及其制备方法
中国
ZL200910082897.6
2012-05-16
第947001号
清华大学
有效专利
主要完成人情况：
（摘自“主要完成人情况表”中的部分内容，公示姓名、排名、行政职务、技术职称、工作单位、完成单位、对本项目技术创造性贡献）
姓名
排名
行政职务
技术职称
工作单位
完成单位
对本项目技术创造性贡献
康飞宇
1
院长
教授
清华大学深圳研究院
清华大学深圳研究院
主导发明了低硫可膨胀石墨制备技术、碳包覆微膨改性鳞片石墨负极材料制备技术和微晶石墨加工与改性技术。
旁证材料：
ZL200410090866.2，ZL200610011611.1，
ZL201110456649.0，ZL200910023729.X
杨全红
2
教授
天津大学
天津大学
主导发明了石墨烯低温负压解理制备方法、多孔石墨烯导电剂制备与应用和石墨烯基导电剂/导电炭黑二元导电剂应用技术。
旁证材料：
ZL200810151807.X，ZL201110062409.2，ZL201210582083.0，ZL201310283956.2，ZL201310448084.0，
李宝华
3
教授
清华大学深圳研究生院
清华大学深圳研究生院
主导发明了嵌硅多孔碳层与石墨烯层堆叠“三明治”结构硅碳复合负极材料，参与发明了多孔石墨烯导电剂制备与应用技术。
旁证材料：
ZL201310253008.4；
ZL201410484728.6
黄正宏
4
研究员
清华大学
清华大学
参与发明了微晶石墨的改性技术及微晶石墨负极材料和低硫可膨胀石墨制备技术。
旁证材料：
ZL201110456649.0；ZL200910023729.X
贺艳兵
5
副研究员
清华大学深圳研究生院
清华大学深圳研究生院
参与发明了嵌硅多孔碳层与石墨烯层堆叠“三明治”结构硅碳复合负极材料和石墨烯基导电剂/导电炭黑二元导电剂应用技术。
旁证材料：
ZL201410484728.6，ZL201210114431.1
吕伟
6
副研究员
清华大学深圳研究生院
清华大学深圳研究生院
参与发明了低温负压解理制备石墨烯，多孔石墨烯导电剂制备与应用。
旁证材料：
ZL200810151807.X，ZL201210582083.0
完成人合作关系说明：
项目组六位完成人长期进行合作研究，共同完成了高性能锂离子电池用石墨、石墨烯材料制备、改性及应用技术研究。
第一完成人康飞宇是第三完成人李宝华、第四完成人黄正宏和第五完成人贺艳兵的博士后指导教师；第二完成人杨全红是第六完成人吕伟的博士生指导教师。
2008年至2010年，第一完成人康飞宇与第四完成人黄正宏共同承担并完成国家十一五支撑项目“新型电池用天然石墨材料的制备技术研究”，发明了低硫可膨胀石墨制备技术、碳包覆微膨改性鳞片石墨负极材料制备技术和微晶石墨加工和改性技术，共同拥有2项发明专利（专利号ZL201110456649.0、ZL200910082897.6）；2010至2015年，依托广东省能源与环境材料创新团队，康飞宇、杨全红、李宝华、贺艳兵合作开展锂离子动力电池和石墨负极材料研究工作，共同承担并完成了“储能与电动车动力电池系统和低碳技术研究”项目，共同拥有3项发明专利（专利号ZL201210114431.1、ZL201310283956.2、ZL201110062409.2）；2011至2013年，杨全红与吕伟共同承担并完成了国家自然科学基金面上项目“石墨烯的低温负压化学解理制备及其宏观织构的调控”，开发了石墨烯低温负压解理制备技术，并与康飞宇、李宝华和贺艳兵共同开发了石墨烯基导电剂应用技术和硅碳复合材料制备技术，共同拥有2项发明专利（专利号ZL201210582083.0、ZL200810151807.X）。
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