中科院上海硅酸鹽所的科學家們，最近接連取得材料科學的創新突破。在為我國首顆暗物質粒子探測衛星“悟空”研制了BGO晶體這個探測暗物質的“視網膜”，打造了“悟空”的“火眼金睛”之后，該所的科學家們又在世界頂級期刊《科學》上發文，宣稱研制出一種高性能超級電容器電極材料，可用作電動車的“超強電池”：充電只需7秒鐘，即可續航35公里。

充電7秒續航35公里的“超強電池”材料

何種材料更適合用作電動車“超強電池”，長期以來科學家并未找到理想材料。中科院上海硅酸鹽所黃富強研究團隊發現，石墨烯是超級電容器電極的最佳選擇，其研究已于去年12月18日在《科學》期刊上發表。

據了解，這種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯，具有極佳的電化學儲能特性，可用作電動車的“超強電池”：充電只需7秒鐘，即可續航35公里。

超級電容器，是介于傳統電容器和電池之間的一種電化學儲能裝置。由于具有功率密度高、循環壽命長、安全可靠等特點，現已廣泛應用于混合電動汽車、大功率輸出設備等多個領域。如何讓超級電容器兼具高功率、高能量，長期以來科學家并沒有找到理想材料。目前超級電容器應用已形成一個非常可觀的市場規模，近年來保持近20%的全球增長率，產業前景突出。但現有超級電容器，仍受限于低能量密度(商用活性炭：5～7瓦時/公斤)，遠不如鋰電池(>80瓦時/公斤)，原因在于較低的比容量(

為破解這一難題，中科院上海硅酸鹽所聯合北京大學、美國賓夕法尼亞大學展開持續攻關。黃富強研究團隊最終發現，石墨烯是超級電容器電極的最佳選擇。同屬炭族的石墨烯，因擁有高比表面積、優良導電率和穩定化學結構特點，已經成為國際研發熱點，并有望成為下一代高性能超級電容器的理想電極材料。

據科學網報道，黃富強研究員、陳一葦教授、林天全博士等設計合成的一種氮摻雜的有序介孔石墨烯，具有極佳的電化學儲能特性，比容量高達855法拉/克。組裝成的對稱器件能快速充電和快速放電，不亞于商用碳基電容器。專家表示，它的優性源于：氮摻雜誘生了氧化還原反應，既增加了電化學儲能活性，又沒有降低材料的高導電率。所研制的對稱器件在水溶液中工作安全無毒，能量密度為41瓦時/公斤(基于活性物質為63瓦時/公斤)，功率密度達到26千瓦/公斤(基于活性物質為44千瓦/公斤)。

據了解，這種新型石墨烯超級電容器可以采用低成本制備，實現規模生產。

通過反復試驗、設計、合成，黃富強研究團隊發現，氮摻雜有序介孔石墨烯的性能表現最佳。不僅能實現高能量密度、高功率密度，而且還可以通過使用水基電解液，做到無毒、環保、價格低廉、安全可靠。

權威專家表示，因性能較鉛酸、鎳氫等電池有明顯的競爭優勢，在快速充放方面又遠遠優于鋰電池，它的研制成功對推動我國超級電容器的行業發展，提升行業競爭優勢，具有重要的意義。

暗物質粒子探測衛星的“視網膜”

來自中科院上海硅酸鹽所的科學家們，前不久還為“悟空”打造了“火眼金睛”。

據該所網站介紹，2015年12月17日上午8時12分，我國首顆暗物質粒子探測衛星“悟空”成功發射升空。科研人員為該衛星的研制提供了初樣和正樣共計640根600mm長的鍺酸鉍(Bi4Ge3O12，BGO)晶體，為我國暗物質粒子探測衛星有效載荷的成功研制及其發射提供了重要保障。

BGO晶體是與可能的暗物質粒子湮滅產物(主要為高能電子和伽馬射線)作用的直接媒介，如果把BGO量能器比作衛星探測暗物質的“眼睛”，600mm長的BGO晶體則是該衛星探測暗物質的“視網膜”。

該衛星是國際上已知觀測能段范圍最寬和能量分辨率最優的空間探測器，也是我國歷史上首顆大型空間探測裝置，其最核心的載荷是由14層，每層22根，共計308根尺寸為25×25×600mm3的BGO晶體和光電倍增管構成的BGO量能器，每根600mm長BGO晶體的兩端各耦合1只光電倍增管形成1個探測單元，308個探測單元以相鄰兩層、正交排列方式形成輻射長度達32X0的立體探測矩陣。該衛星有效載荷重約1400公斤，其中BGO晶體重達824公斤，晶體與有效載荷重量比例約59%，可謂“BGO晶體衛星”。

600mm長晶體作為衛星有效載荷BGO量能器的唯一候選探測材料，該尺寸晶體的研制和量產是BGO量能器、衛星有效載荷乃至衛星系統研制成功的基本前提之一。雖然BGO晶體在核醫學、粒子物理、核物理、天體物理和石油測井等輻射探測領域已有廣泛應用，但目前國際上已報道最長的BGO晶體僅為400mm長，離600mm還有很大差距。更長尺寸BGO晶體的生長是對晶體制備科學和技術的全新挑戰，許多業內專家甚至認為這是不可能完成的任務。

在中科院空間科技先導等項目的支持下，從2011年6月起，上海硅酸鹽所王紹華帶領的中試生產一線(BGO研究組)科研人員在國際上率先開展了600mm長BGO晶體的制備科學與技術研究。在歷時兩年左右的持續研究與不斷嘗試中，科研人員逐步解決了原料處理、生長設備、生長工藝、加工工藝以及性能表征等一系列關鍵技術與科學問題，先后實現了600mm長晶體的成功制備與量產，使上海硅酸鹽所成為世界上能研制并量產該長度BGO晶體的唯一供應商，并保持著生長BGO晶體長度的世界紀錄。