在炭材料山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，科研人員正全神貫注地操作精密儀器，精準(zhǔn)調(diào)試參數(shù)，細(xì)致記錄每一組數(shù)據(jù)。作為山西省炭材料創(chuàng)新研究的核心陣地，炭材料山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深耕炭材料領(lǐng)域六十余載，始終以技術(shù)創(chuàng)新作為核心驅(qū)動(dòng)力，在高性能碳纖維、特種石墨及功能炭材料等領(lǐng)域不斷突破，為國家重大工程保障和地方產(chǎn)業(yè)升級提供了堅(jiān)實(shí)的科技支撐。

突破高性能材料技術(shù)壁壘

在中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所炭材料山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)科研人員看到直徑為6微米至7微米的碳纖維絲束出現(xiàn)在生產(chǎn)線上時(shí)，實(shí)驗(yàn)室里響起了經(jīng)久不息的掌聲。不久前，由實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的T1000級高性能碳纖維量產(chǎn)下線。

歷經(jīng)8年艱苦攻關(guān)，T1000級高性能碳纖維關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，整套制造工藝流程實(shí)現(xiàn)了自主可控。

然而，在研發(fā)初期，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成員面臨著兩大核心難題：原絲紡絲均一性不足、預(yù)氧化穩(wěn)定性欠佳，這兩個(gè)問題直接影響著碳纖維的關(guān)鍵性能。

為此，團(tuán)隊(duì)成員系統(tǒng)開展了紡絲工藝優(yōu)化、性能測試、參數(shù)精細(xì)調(diào)整等工作。最終，通過優(yōu)化預(yù)氧化溫度梯度控制，團(tuán)隊(duì)逐步掌握了一系列關(guān)鍵技術(shù)，使該牌號碳纖維各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

實(shí)驗(yàn)室成員、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所高級工程師經(jīng)德齊介紹，這一突破徹底打破了國外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵領(lǐng)域碳纖維國產(chǎn)化，保障了國家重大工程的自主可控。“實(shí)驗(yàn)室自2005年起陸續(xù)取得T300、T700、T800級高性能碳纖維等成果，此次研發(fā)T1000級碳纖維又是一次新突破。”經(jīng)德齊說。

近年來，實(shí)驗(yàn)室緊扣國家需求，持續(xù)攻堅(jiān)高端炭材料“卡脖子”技術(shù)，全力打造高端炭材料創(chuàng)新高地。

實(shí)驗(yàn)室的多項(xiàng)技術(shù)成果已應(yīng)用于航天等國家重大工程。以航天專用石墨密封材料為例，長期以來，我國該類材料依賴進(jìn)口，存在“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。為此，實(shí)驗(yàn)室組建了專項(xiàng)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)對材料配方與成型工藝進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)數(shù)年攻關(guān)，解決了密封件易磨損、易泄漏等關(guān)鍵難題。研發(fā)的材料兼具耐高溫、耐高壓、耐腐蝕特性，順利通過試車考核，相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用于長征六號、長征七號等運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封系統(tǒng)，為航天事業(yè)提供安全保障。

推動(dòng)科研成果產(chǎn)業(yè)化

“科研成果的價(jià)值最終體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上。”炭材料山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任宋燕說。

近年來，實(shí)驗(yàn)室深耕功能炭材料領(lǐng)域，聚焦能源存儲、高碳資源清潔利用等方向，積極推動(dòng)科研成果轉(zhuǎn)化落地，充分彰顯“科研賦能產(chǎn)業(yè)”的核心價(jià)值。

鈉離子電池是未來新能源發(fā)展的重要方向，而硬炭作為其核心負(fù)極材料，其性能直接決定著電池的關(guān)鍵指標(biāo)。長期以來，硬炭研究面臨瓶頸，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)以煤基資源為前驅(qū)體，通過精準(zhǔn)調(diào)控炭化參數(shù)、優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，成功研發(fā)出高性能硬炭負(fù)極材料，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。實(shí)驗(yàn)室成員、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員蘇方遠(yuǎn)介紹，該材料能讓鈉離子電池循環(huán)壽命突破2000次，比容量最高可達(dá)每克350毫安時(shí)，遠(yuǎn)超行業(yè)平均水平，同時(shí)具備充放電效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢。目前，該材料已進(jìn)入中試階段，未來有望應(yīng)用于低速電動(dòng)車、儲能電站等領(lǐng)域，為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有力支撐。

為打破我國電容炭長期依賴進(jìn)口的局面，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)攻克一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，研發(fā)出性能先進(jìn)的面向超級電容器應(yīng)用的多孔炭，成本較進(jìn)口同類產(chǎn)品降低40%，走出了一條從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化的完整路徑。“目前，實(shí)驗(yàn)室已建成十噸級電容炭中試線，可穩(wěn)定生產(chǎn)合格產(chǎn)品，且通過了行業(yè)科技成果評估，產(chǎn)品已在多家超級電容器企業(yè)開展試用。”蘇方遠(yuǎn)介紹，目前，實(shí)驗(yàn)室正與相關(guān)企業(yè)深度合作，推進(jìn)千噸級生產(chǎn)線建設(shè)，推動(dòng)技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用，打破國外市場壟斷，為我國超級電容產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐。

實(shí)驗(yàn)室主動(dòng)對接山西碳基新材料產(chǎn)業(yè)需求，依托本地煤炭資源優(yōu)勢，為企業(yè)提供技術(shù)咨詢、工藝優(yōu)化、產(chǎn)品研發(fā)等全鏈條服務(wù)，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒏叨嘶l(fā)展。其中，落地的聚丙烯腈碳纖維產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目、千噸級淀粉基電容炭生產(chǎn)線等，為山西碳基新材料千億級產(chǎn)業(yè)集群注入強(qiáng)勁動(dòng)力，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，創(chuàng)造更多就業(yè)崗位。

展望未來，宋燕表示，實(shí)驗(yàn)室將持續(xù)聚焦炭材料核心領(lǐng)域，圍繞五大重點(diǎn)方向深耕細(xì)作、協(xié)同攻關(guān)，研發(fā)更多高性能、高附加值產(chǎn)品。“我們將深化產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，完善成果轉(zhuǎn)化平臺，努力打造原創(chuàng)技術(shù)‘策源地’、成果轉(zhuǎn)化‘加速器’，以炭材料創(chuàng)新助力山西能源轉(zhuǎn)型，為國家能源安全保障貢獻(xiàn)堅(jiān)實(shí)力量。”宋燕說。