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新材料:苧麻炭超級(jí)電容器的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)

2023/12/4 18:04:00 來(lái)源: 評(píng)論(0)11457

苧麻

  苧麻,一種天然的紡織材料。在楊維清眼里,它還能制備活性炭電極,并應(yīng)用于超級(jí)電容器。

  楊維清是西南交通大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱西南交大)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授,長(zhǎng)期從事先進(jìn)儲(chǔ)能材料和器件的研究。從2015年起,他盯上了這一“千年不爛軟黃金”,開啟了基于苧麻炭的超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)化研究。

  他強(qiáng)調(diào),一定要實(shí)事求是,讓專業(yè)的人做專業(yè)的事。

  從椰殼到苧麻稈

  相比傳統(tǒng)電容器,超級(jí)電容器通常具有更高的能量密度和功率密度,且充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng),因此被廣泛應(yīng)用于地鐵動(dòng)能回收、新能源城市交通、航空航天等諸多領(lǐng)域。

  “決定超級(jí)電容能量密度的關(guān)鍵就是電極材料?!睏罹S清打了個(gè)比方,“就像建的房子決定了能裝多少人?!被钚蕴坑捎诰哂斜缺砻娣e大、孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào)整、化學(xué)穩(wěn)定性好和成本低等優(yōu)勢(shì),成為超級(jí)電容器的首選電極材料,用于吸附電荷以儲(chǔ)存能量。

  椰殼則作為原材料,被廣泛用于制備電容活性炭。但這一技術(shù)和規(guī)模化生產(chǎn)線一直被國(guó)外企業(yè)牢牢握在手中,是我國(guó)超級(jí)電容器發(fā)展的一大“卡脖子”問(wèn)題。

  “蜀麻吳鹽自古通,萬(wàn)斛之舟行若風(fēng)?!弊怨乓詠?lái),四川產(chǎn)的苧麻一直遠(yuǎn)近聞名,于多地流通,其中大竹縣產(chǎn)的苧麻久負(fù)盛名。對(duì)于從小生活在大竹的楊維清來(lái)說(shuō),每年長(zhǎng)三季、能躥2米高的苧麻是再熟悉不過(guò)的家鄉(xiāng)特產(chǎn)。

  “苧麻和椰殼都是生物質(zhì),苧麻是否也可用于電極材料的制備?”2015年,當(dāng)這一想法在楊維清腦中“蹦”出后,他便著手展開研究。

  苧麻麻稈具有灰分低、含碳量高的特點(diǎn),是制備高比表面積活性炭的理想原材料?!岸遥r麻纖維素含量較高,纖維取向有序,具有疏松多孔的特點(diǎn),相比椰殼制備的活性炭,苧麻制備的活性炭能夠更好地儲(chǔ)能。”楊維清團(tuán)隊(duì)成員羅淇天說(shuō)。

  “家鄉(xiāng)苧麻滿地,尤其是苧麻稈都沒(méi)人要,燒了還污染環(huán)境。”楊維清從老鄉(xiāng)手中收來(lái)的廢棄苧麻稈,搖身一變成了高附加值的先進(jìn)材料。

  試錯(cuò)的過(guò)程

  楊維清課題組的實(shí)驗(yàn)室里,一臺(tái)高溫管式爐見證了苧麻炭制備研究的起點(diǎn)。

  根據(jù)一系列的實(shí)驗(yàn)要求,楊維清和團(tuán)隊(duì)在不斷嘗試中摸索出了一套包含30多道工藝的制備方法。經(jīng)去皮或碎稈后,苧麻不僅要進(jìn)行炭化和活化處理,還要經(jīng)歷除鐵、酸洗、漂洗、過(guò)濾等純化流程。而最為關(guān)鍵的炭化工藝,主要是在高溫管式爐中完成?!霸跉鍤猸h(huán)境下,設(shè)置一定的參數(shù)對(duì)苧麻進(jìn)行燜燒?!?/p>

  實(shí)驗(yàn)階段,楊維清成功研發(fā)出想要的活性材料,但產(chǎn)量只有100克。要實(shí)現(xiàn)材料規(guī)?;a(chǎn),應(yīng)用于儲(chǔ)能器件制成電容產(chǎn)品,并最終進(jìn)入銷售流通環(huán)節(jié),還有很長(zhǎng)的一段路要走。其中,最重要的就是中試環(huán)節(jié)。

  在學(xué)院內(nèi),楊維清逐步搭建起一條年產(chǎn)5公斤的超容炭中試線。“這是一個(gè)不斷試錯(cuò)的過(guò)程,不只是技術(shù)工藝上的改進(jìn)?!?/p>

  因?yàn)槭侵苽湫虏牧?,市面上沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)設(shè)備,所以楊維清要自己動(dòng)手改裝類似的裝置?!跋窀邷厮魵饣罨腻仩t,因?yàn)榱髁亢蜏囟炔荒苓_(dá)到工藝要求,前后換了4個(gè)?!蹦壳笆褂玫腻仩t,也有楊維清的“改造”痕跡:連接管道被纏上一圈又一圈的加熱帶,避免熱量流失。

  公斤級(jí)別的苧麻炭制備實(shí)現(xiàn)后,楊維清把目標(biāo)產(chǎn)量瞄向了“噸”。一開始他有點(diǎn)“野心”,直接謀劃了年產(chǎn)300噸級(jí)別的生產(chǎn)線,但資金風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)太高,最后不得已放棄了。

  “實(shí)際操作中我才發(fā)現(xiàn),這樣做的風(fēng)險(xiǎn)極高,光設(shè)備投入一年就得5000萬(wàn)元,如果不合適要改裝,又是一筆支出,太‘燒錢’了?!睏罹S清將目標(biāo)縮小至“年產(chǎn)30噸至60噸”的中試線,在尊重科研規(guī)律的同時(shí),又合理規(guī)劃了投入的時(shí)間和資金。

  苧麻炭研究起步不久后,西南交大就進(jìn)行了一場(chǎng)“職務(wù)科技成果權(quán)屬混合所有制改革”,先后出臺(tái)了《西南交通大學(xué)專利管理規(guī)定》和《西南交通大學(xué)無(wú)形資產(chǎn)管理辦法》。前者使科研人員從一開始就和所在單位共享成果所有權(quán),后者則規(guī)定校內(nèi)職務(wù)科技成果不再納入國(guó)有無(wú)形資產(chǎn)管理清單,而是由學(xué)校科研管理部門作為成果管理,由此打破了高校成果“不愿轉(zhuǎn)”“不敢轉(zhuǎn)”的局面。

  乘著政策的東風(fēng),楊維清確定了年產(chǎn)30噸級(jí)中試生產(chǎn)線目標(biāo)后,也遇到了滿意的合作對(duì)象。

  2021年1月,楊維清團(tuán)隊(duì)“高比能超級(jí)電容器關(guān)鍵材料與器件制備工藝系列技術(shù)”所涉及的9項(xiàng)職務(wù)發(fā)明,按照學(xué)校和科研團(tuán)隊(duì)3∶7的比例完成知識(shí)產(chǎn)權(quán)分割確權(quán)后,以1388萬(wàn)元的估值作價(jià)入股四川一家科技企業(yè)。其中,學(xué)校30%的知識(shí)產(chǎn)權(quán)由該公司出資416.574萬(wàn)元購(gòu)買。

  整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程不復(fù)雜,無(wú)須上報(bào)學(xué)校國(guó)資處、校長(zhǎng)辦公會(huì)和黨委常委會(huì)審批,只需在西南交大科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院網(wǎng)站上公示即可。

  專業(yè)的人做專業(yè)的事

  楊維清及其團(tuán)隊(duì)在學(xué)校完成公斤級(jí)苧麻炭制備后,再將其送往合作公司位于成都龍泉驛區(qū)的廠區(qū),做成商用型的軟包和圓柱形超級(jí)電容器,并進(jìn)行性能測(cè)試分析。這一條半自動(dòng)化的封測(cè)中試生產(chǎn)線已經(jīng)運(yùn)行了快兩年,流程中各項(xiàng)工藝已經(jīng)成熟,如今正處于各項(xiàng)設(shè)備的磨合階段。

  對(duì)于廠區(qū)預(yù)留的一塊2000多平方米的空地,楊維清已有了謀劃:搭建那條年產(chǎn)30噸至60噸的苧麻炭制備中試生產(chǎn)線。

  “和我合作的這家企業(yè),以前主營(yíng)印刷業(yè)務(wù)?!睏罹S清說(shuō),二代掌舵者接手后,一心想讓公司轉(zhuǎn)型,而自己正好在找投資,所以兩人一拍即合。

  楊維清最看重的,是雙方理念的契合。“其他投資者只想投錢,產(chǎn)品研發(fā)、銷售等都要我來(lái)組建團(tuán)隊(duì),可管理并不是我的專長(zhǎng)?!边@家企業(yè)管理者只讓楊維清管技術(shù),產(chǎn)品后期的業(yè)務(wù)根本不用他操心。同時(shí),楊維清也看中了公司的實(shí)力:背靠涉足多個(gè)領(lǐng)域的家族企業(yè),抗風(fēng)險(xiǎn)能力較強(qiáng)。

  “實(shí)事求是,專業(yè)的人做專業(yè)的事。”楊維清給自己提出了“三不一結(jié)”的要求,即“不當(dāng)法人,不控股,不過(guò)早想預(yù)期分紅,且一事一結(jié)”?!半m然目前苧麻炭項(xiàng)目我仍有持股,但占比較少。未來(lái)如果有其他項(xiàng)目,我也會(huì)堅(jiān)持‘三不’原則,不想在科研上分心,也不想過(guò)分夸大自己的作用?!?/p>

  楊維清將自己定位于“科研代工”的角色,只做技術(shù)委托開發(fā)。“‘一事一結(jié)’,我和團(tuán)隊(duì)只為企業(yè)解決科技問(wèn)題,拿我們?cè)撃玫?。至于拿多少,就由雙方協(xié)商評(píng)估我們的智力、人力和時(shí)間投入?!?/p>

  撐起一把“傘”

  “也許我就該專心搞科研,我也愛做科研?!毕矚g科研這件事,也是楊維清在一路摸爬滾打中認(rèn)識(shí)到的。

  本科畢業(yè)后,他當(dāng)過(guò)連鎖餐飲店經(jīng)理、做過(guò)奧賽培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的講師,還開過(guò)網(wǎng)吧,一個(gè)勁兒地就想掙錢。2003年,在培訓(xùn)機(jī)構(gòu)已是金牌講師的楊維清,收入不錯(cuò),但他總覺得每天都是重復(fù)勞動(dòng),“少了點(diǎn)意思”。

  第二年,他決定重回校園。在四川大學(xué)攻讀碩士和博士學(xué)位后,他又赴美深造。經(jīng)過(guò)了10年的二次求學(xué),37歲的楊維清正式踏上了科研之路。

  楊維清很羨慕那些一早就選擇做科研,且長(zhǎng)久堅(jiān)持下來(lái)的學(xué)者,但他知道人的經(jīng)歷不能復(fù)制?!拔移鸩酵?,只有靠時(shí)間積淀?!庇绕涫?017年、2018年課題組成果轉(zhuǎn)化遇到困境時(shí),楊維清不得已作出取舍,忙于工作卻疏于對(duì)家人的陪伴和照顧。每每想到此,他都深感虧欠。

  正是這些“彎路”帶來(lái)的磨礪,讓楊維清越發(fā)明白自己要什么,也拓寬了思路、打開了“格局”。除了大學(xué)教授,楊維清還有個(gè)身份——四川省政協(xié)委員。而他的提案,基本都與高校如何打通科技成果轉(zhuǎn)化“最后一公里”有關(guān)。

  自己淋過(guò)雨,就想為別人撐把傘。楊維清的提案中,總是融入了自己實(shí)踐后總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)。他曾提出,政府可以鼓勵(lì)高校和機(jī)制更為靈活的中小企業(yè)共建中試平臺(tái),并提供資金引導(dǎo),或?qū)χ性囯A段給予補(bǔ)助,以減少高??蒲袌F(tuán)隊(duì)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的風(fēng)險(xiǎn)和壓力。

  盤點(diǎn)一路走來(lái)遇到的堵點(diǎn),他建議從政策層面,督促高校落實(shí)符合科技成果轉(zhuǎn)化工作特點(diǎn)的評(píng)價(jià)機(jī)制,不能總讓“發(fā)文章才能評(píng)職稱”消磨了高校師生的積極性。

  楊維清更想蹚出一條路。他的短期目標(biāo),是實(shí)現(xiàn)符合商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的苧麻炭超級(jí)電容器的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)?!艾F(xiàn)在苧麻炭的制備產(chǎn)量已經(jīng)從100克增長(zhǎng)到30噸。未來(lái),我們要建立的是年產(chǎn)300噸的正式生產(chǎn)線?!?/p>

  他還有一個(gè)遠(yuǎn)期計(jì)劃,就是將即將構(gòu)建的年產(chǎn)30噸至60噸的中試生產(chǎn)線不斷擴(kuò)充發(fā)展成一個(gè)中試技術(shù)工程中心,“使其成為一個(gè)具有公共性和兼容性的中試平臺(tái)”。


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