项目推荐第43期（项目精选165期新材料项目系列三）
项目推荐第43期（项目精选165期新材料项目系列三）跟电化学储能器件(如：电池、超级电容器)相比，介电储能电容器具有更高的功率密度(超快充放电速度)，可在高电压下工作、并具有全固态结构的优点。尤其是新能源汽车，对电容集成控制系统要求非常高，空间要小，损耗要低，电容量要大。因此，高储能密度聚合物基复合电介质薄膜成为介电储能电容器用的新型材料。（一）技术原理与先进性 通过一种新颖的自下而上，多步有机合成的方法制备一系列的二维(2D )、三维(3D)纳米石墨烯及拥有各种官能团连接的纳米石墨烯薄片。将共价键合到中心氮原子上，使之自组装成高度有序的层次结构。该侧挂官能团在纳米石墨烯的周围可有效调控纳米石墨烯的电子密度以及薄片和薄片的间距。而且锂离子电池纳米石墨烯阳极表现出显着的周期稳定性和更增强的容量(高达1050mAh/g )。此外，将致力于合理的设计金属纳米粒子和杂化纳米材料以解决阻碍商业化发展能量转换和储存器件的因素。项目二、储能电容器用电介质
项目一、新一代钙钛矿光伏和锂离子电池的发展与应用
（一）大晶粒高效钙钛矿
首次合成大晶粒(1-2毫米)的有机金属钙钛矿薄膜，并发现晶粒尺寸的增加和光伏效率密切相关，由此发明了光伏效率达到18%钙钛矿电池，是近年来非常高效的钙钛矿光伏之一。通过对钙钛矿的能带间隙和光学/电子性质的检测，特别选取3到5种被看好的材料进行合成，利用第I、IV族元素代替钙钛矿中的有机分子，制得能够捕获更长波长的太阳光子的窄带隙钙钛矿，进一步发展成环境友好的无铅钙钛矿光伏太阳能电池。基于建立新一代钙钛矿平面光伏的设计原则，实践实现具有高纯度、理想结晶度和光电性质的钙钛矿及界面材料，有效的传导电荷，进一步提高效率和稳定性。
（二）锂离子电池
通过一种新颖的自下而上，多步有机合成的方法制备一系列的二维(2D )、三维(3D)纳米石墨烯及拥有各种官能团连接的纳米石墨烯薄片。将共价键合到中心氮原子上，使之自组装成高度有序的层次结构。该侧挂官能团在纳米石墨烯的周围可有效调控纳米石墨烯的电子密度以及薄片和薄片的间距。而且锂离子电池纳米石墨烯阳极表现出显着的周期稳定性和更增强的容量(高达1050mAh/g )。此外，将致力于合理的设计金属纳米粒子和杂化纳米材料以解决阻碍商业化发展能量转换和储存器件的因素。
项目二、储能电容器用电介质材料
（一）技术原理与先进性
跟电化学储能器件(如：电池、超级电容器)相比，介电储能电容器具有更高的功率密度(超快充放电速度)，可在高电压下工作、并具有全固态结构的优点。尤其是新能源汽车，对电容集成控制系统要求非常高，空间要小，损耗要低，电容量要大。因此，高储能密度聚合物基复合电介质薄膜成为介电储能电容器用的新型材料。
（二）应用市场
电介质静电电容器是重要的基础电子元件，同时也是广泛用于电子电力系统、能源系统等领域的储能器件。随着各国出台新能源相关政策以及新能源产业的发展，该领域的相关产业的发展也带来了新机遇，电容器作为必不可少的上游相关产品也获得了新的行业发展机遇。在新能源及新能源汽车运用中，电容器在能源控制、电源管理、电源逆变以及直流交流变换等系统中是决定变流器寿命的关键元器件。
目前商用储能薄膜电容器用的电介质薄膜材料主要为双向拉伸聚丙烯( BOPP )薄膜，其储能密度为2J/cm3，放电效率80%左右。由于其储能密度较低，造成商用薄膜电容器体积较大，不利于器件和系统小型化。本项目研发的高储能密度电介质薄膜材料具有高储能密度(5J/cm3 )、低介电损耗(<1%)、高放电效率(80%)等特点，可有效减少薄膜储能电容器的体积和重量。
项目三、超低温烧结微波陶瓷介质材料
（一）技术原理及特点
随着电子器件小型化集成化的快速发展，要求陶瓷材料可以与低熔点电极、半导体材料、聚合物基基板等集成共烧。低温共烧陶瓷(LTCC)技术是目前无源器件集成的主流技术，通过多层结构设计将多个分立元件共烧集成在一个独立块体中，形成功能性模组，可大大减小器件的尺寸，实现元件的集成，降低生产成本，提高可靠性。LTCC的主流导体材料为Ag。因此要求作为介质层的陶瓷材料和电极材料要在Ag的熔点以下与之共烧。
（二）应用市场：
超低温烧结微波介质陶瓷作为LTCC无源集成技术的主要介质材料，可广泛应用于无线通讯、可穿戴电子、物联网和全球定位系统等领域。事实上，微波介质材料的出现彻底改变了微波无线通信产业。特别在最近几年，越来越多的手持通讯应用设备对尺寸和重量的要求越来越高，设备小型化的趋势愈发明显。为了满足物联网系统的功能，以及随着5G通信的发展，新型微波介质陶瓷的研发与器件设计愈发迫切和重要。
目前商用LTCC微波介质材料主要为低介(介电常数小于10)陶瓷材料，并只能在900℃左右烧结，只能用Ag浆作为内电极。本项目研发的LTCC微波介质陶瓷材料具有介电常数系列化(低介、中介、高介) Q值高、可在600℃以下烧结等特点，可用Ag浆、Al浆等作为内电极。
项目四、新型钙钛矿太阳能电池的研发与产业化
（—）技术原理与特点
近年来，钙钛矿太阳电池以其优异的光电转换性能和可溶液加工成本低等优势受到了学术界和产业界人士的广泛关注。目前，溶液旋涂法是实验室制备钙钛矿太阳电池的常用方法。但该方法材料浪费严重且不适用于工业化的连续生产；因此，无法满足钙钛矿太阳电池今后大规模工业化生产所需的大面积、低成本等制造要求。从实验室小面积器件制备转变到可大面积的产业化制备以及降低钙钛矿太阳电池的生产成本，将是钙钛矿太阳电池产业化过程中的一个重要课题。
在钙钛矿太阳电池的制备方法中，印刷技术因具有材料利用率高、成本低、工艺效率高、可大面积制备、适用于柔性基底等特点而备受关注。我们结合钙钛矿电池材料成膜特征及其狭缝式涂布工艺设备在其他行业的应用情况，整合卷对卷的生产平台推出的卷对卷狭缝式和丝网印刷涂布工艺生产解决方案，特别是在膜厚均匀度及成膜稳定性和连续性都仍维持着优异的控制能力，初步完成了卷对卷制备工艺技术的研发。为规模化制备大面积钙钛矿太阳能电池器件的效率提升提供了技术支撑，下图为卷对卷制备工艺技术路线图。
本项目的成功实施将建立和发展广东省的新型太阳能电池光伏产业，使广东省在太阳能光伏产业方面实现跨越式的发展，并在新型太阳能市场方面抢占制高点，居于全国乃至世界领先地位；将促进广东省乃至全国范围内建筑材料产业的发展和更新换代，实现从一般建筑材料，被动式节能建筑材料到主动发电式建筑材料的跳跃发展；将使广东省乃至全国全国范围内在商业交通工具，移动设备，野外装备等产业的辅助产品中，由目前的极低附加价值向高附加价值的转型。
(三）应用领域与前景
与晶硅太阳能电池相比，钙钛矿电池的优点是柔性，色彩可调和产品多样化，优良的弱光效应，以及有可能实现极低成本的卷到卷印刷制备。通过开发随插随贴即可用的柔性高性能钙钛矿太阳能电池薄膜，将太阳能电池的安装和使用方式由复杂的、固定的、平面和需要专业技工的安装模式拓展为简单的、更灵活的、可以在不同曲面和自主的安装模式，就能够开拓出可在近期内产业化的使用于消费电子、移动电源、可穿戴电子、柔性能源器件和建筑光伏的钙钛矿太阳能电池薄膜产品，而且拥有非常巨大的市场潜力。
项目五、金属酞菁光电材料
（一）技术原理
金属酞菁合成、提纯简易，具备大规模生产可行性。其热、物理、化学稳定性高，耐候性强，半导体性能优越，可应用于现有多种有机电子器件。对酞菁分子开展化学功能化修饰，通过增强酞菁成膜分子共轭堆积强度，可以提高酞菁材料半导体特性，并实现液相工艺制备薄膜，从而达到提高有机电子器件性能的同时降低器件造价。
（二）应用市场
本项目依托南方科技大学强大的科研平台，成员具有超过10年有机光电材料设计、研发及光电器件应用研究经验，通过过去长达7年的潜心研发，在酞菁分子修饰不同功能团，采用不同修饰金属，改变酞菁分子成膜与组装特性，实现酞菁材料不同光电半导体特性。所研发功能酞菁材料可应用于不同光电器件，包括有机太阳能电池（OPV），有机电致发光器件（OLED），钙钛矿太阳能电池（PSC），薄膜晶体管（TFT），基于晶体管的传感器，存储器，射频识别标签，以及肿瘤治疗等，相比于传统商业化有机光电材料，价格低廉（部分产品为现有商业化有机光电价格的五分之一不到），并可大幅度提升光电器件性能。多项成果发表于知名国际期刊，已获授权/申请多项美国专利及中国发明专利，拥有完全自主知识产权，具有重要的理论研究意义和实际商业价值。
项目六、3D打印透气模具钢
本项目利用选区激光熔化(SLM)成型技术，参加发泡剂材料，制备出样件孔隙率在20%~30%，内部孔隙孔径大小在100µm以下，且内部孔隙连通性好，可透气的模具钢材料。解决了目前由于打印精度问题不能直接通过预设孔的方法制备可透气模具钢的难题。
主要应用于模具制作领域，一些精密复杂的高档模具注塑过程中会产生困气现象，致使成型塑料件外观、性能和使用寿命受到影响。透气模具钢可镶嵌在困气处，组成排气系统，解决该问题。
项目七、7XXX铝合金（QC-10）的激光3D打印成形
本发明在原始的QC-10铝合金粉末中创新的引入TiB2陶瓷颗粒和Si元素粉末，使混合后的粉体在成形中，不仅通过异质形核细化了晶粒，并且由于流动性较好的低熔点Al-Si液相填补了合金凝固过程中产生的微裂纹，在这两个作用的共同影响下，实现了7系铝合金QC-10的激光3D打印成形。此前7系铝合金的激光3D打印存在严重裂纹倾向，成形难度极大。
7系铝合金，即Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，是一种高强铝合金，由于其价格低廉、性能优异，在汽车行业、航空航天行业等得到了广泛的应用。7系铝合金因为具有超高的激光反射率、热导率大、易氧化的特性，其激光3D打印成形难度极大。本发明在原始的7系铝合金QC-10铝合金粉末中创新的引入TiB2陶瓷颗粒和Si元素粉末，实现了QC-10的激光3D打印成形，使SLM成形件达到良好的致密度，并具有可靠、优异的性能。而且为其余牌号的7系铝合金，甚至其他热裂纹倾向严重的材料的激光3D打印成形提供了一种新的思路。
