袁國輝：孜孜不倦科研路 石墨報國產(chǎn)業(yè)情

文/本刊記者 馬愛平

咬定青山不放松，立根原在破巖中。從石墨到石墨烯，從負極材料到導(dǎo)電漿料，從雞西到哈爾濱……哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師袁國輝迎難而上、勇往直前、不曾退縮。

長期以來，袁國輝一直從事與新能源有關(guān)研究，包括化學(xué)電源及電極材料、超級電容器及電極材料和天然石墨的深加工技術(shù)研究。在注重提高基礎(chǔ)研究水平的同時，特別注重將實驗室成果進行產(chǎn)業(yè)化。

在基礎(chǔ)研究方面，袁國輝重點研究新型能源材料和儲能裝置的研究。特別是在與未來可穿戴有關(guān)的新能源領(lǐng)域，重點對柔性電極及柔性儲能裝置進行了研究。獲得了超高面積比電容，相關(guān)的成果已經(jīng)在影響因子達12.14的國際著名期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表，目前在該領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)表10余篇系列SCI文章，申請發(fā)明專利15項。牢牢占據(jù)了這個領(lǐng)域的前沿位置，引領(lǐng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。獨立編寫了國內(nèi)第一部有關(guān)超級電容器的專著《電化學(xué)電容器》，由化學(xué)工業(yè)出版社出版。該專著的出版促進了超級電容研究領(lǐng)域的研究。

然而數(shù)年前的一次考察改變了袁國輝的職業(yè)軌跡。

當時，袁國輝與黑龍江省的幾位專家去省內(nèi)天然石墨產(chǎn)地考察。當?shù)氐那闆r是，天然石墨產(chǎn)業(yè)僅有采礦和浮選，產(chǎn)品也僅有各種規(guī)格的石墨精粉，天然石墨尾礦和浮選后的殘余物大量堆積，石墨企業(yè)的技術(shù)水平停留在較低的階段，且沒有石墨的深加工。

實際上，當時的石墨產(chǎn)業(yè)已經(jīng)方興未艾。天然石墨以其獨特性功能及稀缺性，已成為工業(yè)化國家必爭的戰(zhàn)略性原料。2010年，歐盟委員會將石墨列為14種“對歐盟生死攸關(guān)的原料”之一。石墨已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新能源、節(jié)能環(huán)保、新一代信息產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造、新材料產(chǎn)業(yè)等，這些廣泛的應(yīng)用，都源自于石墨的深加工。

而中國是天然石墨資源最豐富的國家，已探明的儲量約占全球的三分之二。黑龍江省是中國石墨資源儲量最多的地區(qū)，約占中國儲量的約三分之二，主要是可加工性好的鱗片石墨。在袁國輝看來，一方面，中國是全球最大的天然石墨原料出口國，產(chǎn)品價格低廉，還要承受對環(huán)境的破壞和資源的浪費；另一方面所需的高端石墨制成品則需要從國外高價進口。

“如果石墨產(chǎn)業(yè)僅僅停留在浮選階段，產(chǎn)品僅僅是低端石墨精粉，那是對天然石墨資源的浪費。石墨完全可以通過深加工的方式，變成附加值高的高端的產(chǎn)品。即使是今天，石墨深加工產(chǎn)業(yè)也沒有有效建立起來。”袁國輝說。

面對石墨行業(yè)粗放式的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀，袁國輝內(nèi)心受到了深深的震動。

回來之后，袁國輝為這個事兒苦惱很久，就想在這個領(lǐng)域做點實事，能為我國、特別是黑龍江省的石墨深加工貢獻一點力量。

說干就干。袁國輝作為專家受邀參加了中國工程院和黑龍江省人民政府聯(lián)合組織的“院士專家龍江行”活動，參與了由9位院士聯(lián)名上書國務(wù)院溫總理的《關(guān)于在黑龍江省建立國家高新石墨產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化與交易基地（“國際石墨谷”）的建議》的起草工作，該建議于2010年10月獲得總理批示。

一鼓作氣。袁國輝作為主要成員參與制定了國家《石墨產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展專項規(guī)劃（2012-2020年）》，之后，作為主要成員參與制定了《黑龍江省石墨產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展實施方案》》。

作為第一執(zhí)筆人，主持編寫了國家科技支撐計劃項目《高純石墨材料開發(fā)及其典型應(yīng)用》項目建議書，通過了科技部組織的專家評審。

作為課題負責人，負責國家科技支撐計劃課題《新型負極材料制備技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化研究》，該課題由雞西市貝特瑞石墨產(chǎn)業(yè)園有限公司與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作承擔。

目前，該課題已經(jīng)圓滿完成，該課題突破了粒徑小于12微米的鱗片石墨的球形化技術(shù)，使球形化收率從傳統(tǒng)方法的40%提高到80%，在節(jié)約了資源的同時，大大提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益；研究新型的球形石墨包覆技術(shù)，克服了包覆不均勻?qū)е碌漠a(chǎn)品均一性較差的問題；采用固-液結(jié)合方式對球形石墨進行包覆，形成核-殼結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負極材料，放電容量達到355mAh/g，充放電效率大于90%。

該課題還提出了球形石墨的選擇性純化方法，可以減少化學(xué)藥劑的使用量，有利于對環(huán)境的保護。迄今為止，這些技術(shù)已經(jīng)在雞西貝特瑞得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟效益。該技術(shù)在雞西市貝特瑞石墨產(chǎn)業(yè)園有限公司應(yīng)用后，取得了良好的經(jīng)濟效益，使黑龍江省的天然石墨深加工技術(shù)達到了國際先進水平。

在高純石墨材料開發(fā)方面取得了重大突破后，袁國輝馬不停蹄，將目光投向了石墨烯攻關(guān)。

近年來，作為石墨新材料的重要一員，石墨烯其獨有的特性，被稱為“神奇材料”，得到了廣泛的關(guān)注，科學(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改變21世紀”，與石墨烯有關(guān)的研究呈現(xiàn)出方興未艾局面。

袁國輝說，石墨烯的制備方式主要有兩種：一種是“自上而下”的制備思路，將三維結(jié)構(gòu)的石墨逐步解離成二維結(jié)構(gòu)的石墨烯。另一種是“自下而上”的制備思路，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法由原子級別的碳簇重組構(gòu)建二維結(jié)構(gòu)的石墨烯。

“自上而下”的石墨烯制備思路還可以分為氧化還原法和機械剝離法等諸多方法。

袁國輝說：“我們的研究從開始就瞄準了石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，重點研究了采用機械剝離的方式，以鱗片石墨為原料制備粉體石墨烯的方法和石墨烯粉體在各種溶劑中的分散方法。研發(fā)了高分散性石墨烯漿料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)?！?/p>

石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化最關(guān)鍵的問題是如何獲得具體的應(yīng)用，這是石墨烯產(chǎn)業(yè)能否獲得發(fā)展必須解決的問題。

“我們把主要的研究放在如何使石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，我們以目前快速發(fā)展的新能源汽車產(chǎn)業(yè)所需的動力電池為應(yīng)用目標，開發(fā)出了動力鋰離子電池制備必需的新型導(dǎo)電漿料，其導(dǎo)電性大大高于傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料?！痹瑖x說。

2015年10月，石墨烯導(dǎo)電漿料在哈爾濱萬鑫石墨谷科技有限公司投產(chǎn)，實現(xiàn)了石墨烯產(chǎn)品的商業(yè)化銷售，目前，石墨烯導(dǎo)電漿料已經(jīng)獲得國內(nèi)外多家客戶的認可，以獲得多家客戶的訂單，正在逐步進入動力鋰離子電池生產(chǎn)領(lǐng)域。

目前，由于評價方式的原因。許多研究者不愿做產(chǎn)業(yè)化研究，一方面產(chǎn)業(yè)化技術(shù)需要多年的積累和需要付出更多的精力，另一方面，產(chǎn)業(yè)化研究工作往往在評價時得不到認可。

“從企業(yè)來的研究經(jīng)費再多，再重要，也不是省級課題，更不是國家級課題。在評價研究者的貢獻，特別是技術(shù)職務(wù)晉升時，國家級課題往往是必備項，所以很多研究人員，即使是工科大學(xué)的教師也往往遠離企業(yè)所需的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的開發(fā)，更多的是與各級政府項目有關(guān)的基礎(chǔ)研究。令人高興的是，國家正在進行相關(guān)的政策調(diào)整。”袁國輝欣喜地說。

目前，在石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方面，袁國輝與中國寶安集團合作，創(chuàng)建了哈爾濱萬鑫石墨谷科技有限公司，在國內(nèi)外率先向市場推出了用于動力鋰離子電池的石墨烯復(fù)合導(dǎo)電漿料產(chǎn)品，實現(xiàn)了石墨烯產(chǎn)品的規(guī)模化應(yīng)用。在石墨烯產(chǎn)業(yè)化方面走在了行業(yè)的前列。是國內(nèi)第一個石墨烯標準的主要制定人員。

近5年來，袁國輝作為課題負責人主持與本項目有關(guān)的項目10余項，其中國家支撐計劃課題1項，國家自然科學(xué)基金2項，黑龍江省重點攻關(guān)項目1項。發(fā)表高水平研究論文20余篇，申請和授權(quán)發(fā)明專利15項。獲得2016年度“龍江創(chuàng)新力量十佳個人”、2017年“哈爾濱科技創(chuàng)業(yè)獎”。

袁國輝說，在黑龍江省“石墨烯三年行動計劃”的支持下，他正在與課題合作單位哈爾濱萬鑫石墨谷科技有限公司組建“黑龍江省石墨（烯）新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)公共服務(wù)平臺”和“黑龍江省石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的服務(wù)與共享。