中科院上海硅酸盐所的科学家们，最近接连取得材料科学的创新突破。在为我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”研制了BGO晶体这个探测暗物质的“视网膜”，打造了“悟空”的“火眼金睛”之后，该所的科学家们又在世界顶级期刊《科学》上发文，宣称研制出一种高性能超级电容器电极材料，可用作电动车的“超强电池”：充电只需7秒钟，即可续航35公里。
充电7秒续航35公里的“超强电池”材料
何种材料更适合用作电动车“超强电池”，长期以来科学家并未找到理想材料。中科院上海硅酸盐所黄富强研究团队发现，石墨烯是超级电容器电极的最佳选择，其研究已于去年12月18日在《科学》期刊上发表。
据了解，这种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯，具有极佳的电化学储能特性，可用作电动车的“超强电池”：充电只需7秒钟，即可续航35公里。
超级电容器，是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置。由于具有功率密度高、循环寿命长、安全可靠等特点，现已广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域。如何让超级电容器兼具高功率、高能量，长期以来科学家并没有找到理想材料。目前超级电容器应用已形成一个非常可观的市场规模，近年来保持近20%的全球增长率，产业前景突出。但现有超级电容器，仍受限于低能量密度(商用活性炭：5～7瓦时/公斤)，远不如锂电池(>80瓦时/公斤)，原因在于较低的比容量(
为破解这一难题，中科院上海硅酸盐所联合北京大学、美国宾夕法尼亚大学展开持续攻关。黄富强研究团队最终发现，石墨烯是超级电容器电极的最佳选择。同属炭族的石墨烯，因拥有高比表面积、优良导电率和稳定化学结构特点，已经成为国际研发热点，并有望成为下一代高性能超级电容器的理想电极材料。
据科学网报道，黄富强研究员、陈一苇教授、林天全博士等设计合成的一种氮掺杂的有序介孔石墨烯，具有极佳的电化学储能特性，比容量高达855法拉/克。组装成的对称器件能快速充电和快速放电，不亚于商用碳基电容器。专家表示，它的优性源于：氮掺杂诱生了氧化还原反应，既增加了电化学储能活性，又没有降低材料的高导电率。所研制的对称器件在水溶液中工作安全无毒，能量密度为41瓦时/公斤(基于活性物质为63瓦时/公斤)，功率密度达到26千瓦/公斤(基于活性物质为44千瓦/公斤)。
据了解，这种新型石墨烯超级电容器可以采用低成本制备，实现规模生产。
通过反复试验、设计、合成，黄富强研究团队发现，氮掺杂有序介孔石墨烯的性能表现最佳。不仅能实现高能量密度、高功率密度，而且还可以通过使用水基电解液，做到无毒、环保、价格低廉、安全可靠。
权威专家表示，因性能较铅酸、镍氢等电池有明显的竞争优势，在快速充放方面又远远优于锂电池，它的研制成功对推动我国超级电容器的行业发展，提升行业竞争优势，具有重要的意义。
暗物质粒子探测卫星的“视网膜”
来自中科院上海硅酸盐所的科学家们，前不久还为“悟空”打造了“火眼金睛”。
据该所网站介绍，2015年12月17日上午8时12分，我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射升空。科研人员为该卫星的研制提供了初样和正样共计640根600mm长的锗酸铋(Bi4Ge3O12，BGO)晶体，为我国暗物质粒子探测卫星有效载荷的成功研制及其发射提供了重要保障。
BGO晶体是与可能的暗物质粒子湮灭产物(主要为高能电子和伽马射线)作用的直接媒介，如果把BGO量能器比作卫星探测暗物质的“眼睛”，600mm长的BGO晶体则是该卫星探测暗物质的“视网膜”。
该卫星是国际上已知观测能段范围最宽和能量分辨率最优的空间探测器，也是我国历史上首颗大型空间探测装置，其最核心的载荷是由14层，每层22根，共计308根尺寸为25×25×600mm3的BGO晶体和光电倍增管构成的BGO量能器，每根600mm长BGO晶体的两端各耦合1只光电倍增管形成1个探测单元，308个探测单元以相邻两层、正交排列方式形成辐射长度达32X0的立体探测矩阵。该卫星有效载荷重约1400公斤，其中BGO晶体重达824公斤，晶体与有效载荷重量比例约59%，可谓“BGO晶体卫星”。
600mm长晶体作为卫星有效载荷BGO量能器的唯一候选探测材料，该尺寸晶体的研制和量产是BGO量能器、卫星有效载荷乃至卫星系统研制成功的基本前提之一。虽然BGO晶体在核医学、粒子物理、核物理、天体物理和石油测井等辐射探测领域已有广泛应用，但目前国际上已报道最长的BGO晶体仅为400mm长，离600mm还有很大差距。更长尺寸BGO晶体的生长是对晶体制备科学和技术的全新挑战，许多业内专家甚至认为这是不可能完成的任务。
在中科院空间科技先导等项目的支持下，从2011年6月起，上海硅酸盐所王绍华带领的中试生产一线(BGO研究组)科研人员在国际上率先开展了600mm长BGO晶体的制备科学与技术研究。在历时两年左右的持续研究与不断尝试中，科研人员逐步解决了原料处理、生长设备、生长工艺、加工工艺以及性能表征等一系列关键技术与科学问题，先后实现了600mm长晶体的成功制备与量产，使上海硅酸盐所成为世界上能研制并量产该长度BGO晶体的唯一供应商，并保持着生长BGO晶体长度的世界纪录。
