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| 出版时间：2014年11月 |
本文从炭材料的结构与性能特点出发，结合具体的案例分析，探讨了炭材料与新能源器件之间既相互依托又相互促进的关系，指出新能源产业的发展离不开炭材料，随着新能源产业的发展壮大，相关的炭材料也将不断改善和提高，并据此提出了发展新能源产业应优先发展炭材料的新思想。
Carbon materials enjoy a wide range of applications in new energy fields. For example，they can be used as battery materials in lithium batteries，fuel cells，flow batteries，sodium batteries，supercapacitors and photovoltaic batteries. They are also the indispensable moderators，reflective and structural components in nuclear power，such as the heat pipes of supporting columns，fuel elements，core materials and electrodes. They play a key role in new energy vehicles. For instance，carbon fibers，the replacement of iron materials，can lighten the weight of the whole car by 40% and can be used as the raw materials of 3D printing to fabricate the car bodies so that one automobile is able to change several “dresses” in the future（i.e. one chassis can be equipped with various vehicle bodies）. On-board energies，whether the current star of lithium batteries or the next generation of solid batteries，cannot advance without carbon materials. In addition，as electrical conductors，carbon materials possess the same extraordinary property as copper;as thermal conductive materials，they outperform all the other materials. Even in the treatment of haze and other pollution，carbon materials are the best absorption and filtration materials. Hence，they are undoubtedly the crucial materials in environmental protection，new energy utilization and conversion. In other words，the advancement of carbon materials has an important guiding and promoting influence on new energy industry.
Based on the structure and properties of carbon materials，this paper combined practical cases and discussed the multi-dependent and stimulating relationships between the carbon materials and new energy devices，pointing out that new energy industry cannot develop without carbon materials and that with the growth of new energy industry，the related carbon materials enjoy enhancement and improvement as well. We also proposed that the development of carbon materials should be given the top priority in order to boost the new energy industry.
一 引言
根据中国石油集团经济技术研究院发布的《2013年国内外油气行业发展报告》的预计，中国将在2014年首次超越美国，成为世界上最大的石油净进口国。2014年，中国石油需求增速4%左右，预计达到5.18亿吨，石油对外依存度达到58.8%，如表1所示。另据国务院发展研究中心发布的《中国未来能源发展战略探析》称，2030年中国石油消耗将超过8亿吨，石油进口依存度将达到75%左右。
表1 2004～2014年中国石油消耗及对外依存度
在石油消耗量不断增加的同时，雾霾天气的频繁出现引起了社会的广泛关注。图1表示的是2014年4月16日北京正式发布的PM 2.5来源解析，其中，区域传输贡献约占28%～36%；本地污染贡献中，机动车、燃煤、工业生产和扬尘分别占31.1%、22.4%、18.1%和14.3%，餐饮、汽车修理、畜禽养殖、建筑涂装等其他排放约占14.1%。可以说，造成雾霾的主要原因第一是机动车排污，第二是煤炭的大量消耗。
图1 北京PM2.5本地来源分析
因此，减少机动车排放，发展可再生能源，如光电、热电、风电及核电已成为当今世界的主要课题。针对机动车用能源模式，如图2所示，预计到2050年，根据机动车使用的能源，车辆的发展将以插电式混合动力车为主，其次是纯电动车，再次是燃料电池车。
图2 机动车用能源模式的发展趋势
要实现电驱动汽车轮子转动，风和阳光“点亮”灯泡，则必须有能在各种能源形式之间储存、转换、输送及使用的能源装置与材料。
在光电、热电、风电及核电的采集、转换、贮存、传输等装置及相关材料中，用得最多的就是炭材料。
在环境保护、雾霾治理方面，用得最多的也是炭材料。如以活性炭为代表的吸附材料，在环境气体净化、烟气脱硫脱硝、回收有机溶剂、水处理等方面已经被大量使用。
二 炭材料理论基础
炭材料是炭和石墨材料的简称，是一种碳单质材料或以碳元素为主要成分的材料，包括天然炭石墨材料和人造炭石墨材料。由于价键结构及组织结构的多样性，炭石墨材料存在多种同素异形体，如金刚石、石墨、无定形碳、纳米碳管、炭纤维以及1996年诺贝尔化学奖获得者发现的富勒烯，和2010年诺贝尔物理学奖获得者发现的石墨烯等，它们进而组成了众多结构与性质完全不同的物质，并且新的碳素和新型炭素材料还在不断地被发现。
炭材料的基本结构单元是石墨微晶。从晶体类型来看，石墨属于共价型晶体与分子型晶体的混合晶体。如图3所示，组成石墨的任一碳原子以其最外层的三个价电子与最近邻的三个碳原子以SP2杂化轨道形式形成化学键，这三个键位于同一个平面上，使晶体呈层状结构。剩下的一个Pz轨道上的电子则通过离域л键与其他碳原子相结合，这些离域的л电子能自由地在整个碳原子层中活动，使晶体具有与金属类似的性质，这是石墨具有较好的导电性能的根源，而层与层之间则依靠分子晶体的瞬时偶极矩的相互作用而结合，因此石墨又是一种质地松软、容易层离的物质。这种特殊的结构，使石墨具有耐高温、耐化学腐蚀、导电、导热、自润滑等优异性能，被广泛应用于冶金、化工、轻工、机械、电子、航天和核工业等部门。
图3 石墨的晶体结构示意
图3 石墨的晶体结构示意[1]
在石墨层面内，碳原子与碳原子的间距为1.42Å，碳原子间具有极强的键能（345kJ/mol），而在碳原子平面之间，则以较弱的范德华力结合（键能为16.7kJ/mol），层面间距为3.354Å。由于石墨晶体中碳原子层之间的结合力比层面内碳原子之间的结合力弱得多，因此许多化学物质可以在一定的条件下插入石墨层间生成石墨层间化合物（graphite intercalation compounds，简称GICs）。GICs既保留了石墨本身许多优异的物理化学特性，同时由于插入物与碳原子平面的相互作用，又使GICs表现出一些新的性能，如高导电性、高润滑性、磁性、离子交换特性和催化特性等。
炭石墨材料的各种综合性能十分优良，主要表现在如下几个方面：
（1）密度低。石墨的理论密度为2.26g/cm3，实用的炭石墨材料密度通常低于1.8g/cm3，是一种应用领域十分广泛的轻量化材料。
（2）良好的导电导热性。碳可以认为是共价半导体和金属的中间物——半金属，导电、导热性能好，导热性超过钢、铁、铅等金属材料，导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下成绝热体。
（3）润滑性。c轴方向的层间的结合力很弱，受力时石墨层面易产生滑移，可用作固体润滑材料或抗磨材料，但
