近年來,,石墨烯熱度飆升,,成為世界各國研究開發(fā)的對象。石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料,,一直被認為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu),,無法單獨穩(wěn)定存在,。直至2004年,英國物理學(xué)家成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,,證實它可以單獨存在,,2010年英國物理學(xué)家也因該發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
“萬能材料” 優(yōu)良性能引重視
據(jù)了解,,“萬能材料”石墨烯一種技術(shù)含量非常高,、應(yīng)用潛力非常廣泛的碳材料,因強度最高,、韌性最好,、重量最輕等眾多優(yōu)良性能,自被發(fā)現(xiàn)以來受到極大關(guān)注,。其獨特的電學(xué)性能,、力學(xué)性能、熱性能,、光學(xué)性能,,可以廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、超級電容器,、太陽能電池,、觸摸屏、透明電極等領(lǐng)域,,在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),、光伏產(chǎn)業(yè),、鋰離子電池,、航天、軍工,、新一代顯示器等傳統(tǒng)領(lǐng)域和新興領(lǐng)域都將帶來革命性的技術(shù)進步,。其潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括高速晶體管、透明電極,、印刷電子,、新型復(fù)合材料、超靈敏傳感器,、新型催化劑,、基因測序、儲能裝置等,。在未來5到10年會有很大的發(fā)展,,在相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)革命性的突破,帶動價值數(shù)萬億美元的新興產(chǎn)業(yè)鏈,。
自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來,,研究人士一致努力開發(fā)這種材料的商業(yè)用途,,如替代晶硅應(yīng)用在芯片領(lǐng)域,制造鋰離子電池負極材料以及超級電容器,,制造可彎曲觸摸屏等,。隨著批量化生產(chǎn)和大尺寸難題逐步突破,石墨烯的產(chǎn)業(yè)化步伐正在加快,,國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)的科研投入力度也在上升,,市場關(guān)注度隨之升溫。
廣泛應(yīng)用研發(fā) 全球多國齊上陣
2010年諾貝爾獎將石墨烯帶入人們視線,,目前歐盟已投入10億歐元用于石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,。2013年1月28日,歐盟委員會宣布將石墨烯和人腦工程兩大科技入選“未來新興旗艦技術(shù)項目”,,并分別設(shè)立專項研發(fā)計劃,,每項計劃將在未來10年內(nèi)分別獲得10億歐元的經(jīng)費。韓國和英國分別投入3.5億美元,、5000萬英鎊進行商業(yè)化,。石墨烯材料逐漸引起了我國社會各界的廣泛關(guān)注,各級政府也將石墨烯產(chǎn)業(yè)作為產(chǎn)業(yè)升級換代的突破口,,紛紛成立石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)或聯(lián)盟,。與此同時,工業(yè)和信息化部等部門在加緊研究“十三五”新材料規(guī)劃,,出臺時間有望在2015年下半年,,石墨烯入選該規(guī)劃已經(jīng)基本落定。早在2012年,,工信部發(fā)布《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,,規(guī)劃中的前沿新材料就包含石墨烯;科技部也明確表態(tài)將支持石墨烯的研究,。
據(jù)不完全統(tǒng)計,,2011年,我國首家石墨烯企業(yè)成立,,目前企業(yè)數(shù)量已達到40余家,。無錫市近日宣布,2015年石墨烯及相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破50億元,,2020年達到300億元,;寧波市計劃3年內(nèi)設(shè)立9000萬元的財政資金項目,并在10年內(nèi)打造千億規(guī)模的產(chǎn)業(yè)特色群,。2013年,,中科院重慶研究院成功制備出國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯,并以知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)出資的形式,與上海南江集團共同組建了重慶墨�,?萍加邢薰�,,開發(fā)以石墨烯觸摸屏、顯示屏為代表的石墨烯薄膜原材料,,推動石墨烯實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,。日前,重慶市研發(fā)的石墨烯手機預(yù)計今年將投放市場的新聞在國內(nèi)引起廣泛關(guān)注,。石墨烯觸摸屏與現(xiàn)有手機觸摸屏材料相比,,具備更好的透光度和柔性。據(jù)介紹,,如果其他部件和材料也得到相應(yīng)改進,,手機、平板電腦上的顯示屏未來就能實現(xiàn)可折疊彎曲,,而不會對屏幕造成損害,。
此外,重慶市有關(guān)單位正在推動成立重慶石墨烯研究院,,為產(chǎn)業(yè)鏈下游開發(fā)石墨烯應(yīng)用產(chǎn)品提供支持,,加快推進石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
專利世界第一 我國成立企業(yè)40余家
近年來,,我國在石墨烯領(lǐng)域增長迅速,,專利擁有量世界第一,在石墨烯商業(yè)化應(yīng)用上全球還是處于領(lǐng)先地位,。不少國內(nèi)企業(yè)宣稱掌握了石墨烯制備方法,,已經(jīng)開始規(guī)模化生產(chǎn),。作為世界上石墨資源儲備量最大的國家,,我國正努力在石墨烯生產(chǎn)和應(yīng)用上尋求長遠發(fā)展策略,隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)化的不斷推進,,國家針對該產(chǎn)業(yè)的政策有望再度加碼,。我國石墨烯領(lǐng)域研發(fā)起步較晚,但發(fā)展較快,,有潛在優(yōu)勢和后發(fā)優(yōu)勢。
2013年7月13日,,中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立,。同時,江蘇,、浙江,、深圳、上海,、山東,、福建,、遼寧、重慶,、黑龍江與中科院等機構(gòu)以多種形式協(xié)同創(chuàng)新,,紛紛建立了產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟,促進了創(chuàng)新資源優(yōu)化組合和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化進程,。另一方面,,我國的石墨烯行業(yè)仍在量產(chǎn)摸索階段,目前主要的制備方法有微機械剝離法,、外延生長法,、氧化石墨還原法和氣相沉積法;其中氧化石墨還原法由于制備成本相對較低,,是目前主要制備方法,。
據(jù)中國石墨烯 產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長李義春介紹,目前石墨烯的研究總體上分兩塊:一是在傳統(tǒng)鋰電池上進行應(yīng)用,,目的是改進,、提升鋰電池的性能,這類電池不會產(chǎn)生顛覆性的影響,;二是依據(jù)石墨烯制造一個新體系的電池,,它是一個嶄新系列的,在性能上是顛覆性的,,稱作“超級電池”,。石墨烯超級電池的出現(xiàn),可能徹底改變現(xiàn)有的充電問題,。續(xù)航里程成倍增長,,長途出行的里程焦慮可能徹底打破。
以西班牙的超級電池為例,,1000公里的續(xù)航里程幾乎接近北京到上海的直線距離,,遠超出傳統(tǒng)汽車一箱油的行駛距離。石墨烯充電速度提升,,可以減少充電時間,,宏觀上可以大范圍減少充電站和充電樁的需求。以目前全球領(lǐng)先地位的特斯拉Model S 85為例,,其通過大功率的超級充電站充電,,也要80分鐘才能充滿,車主等充電的時間仍然是一次煎熬,�,!俺夒姵�10分鐘的充電時間,比加一次油時間長一點點,但續(xù)航里程比一箱油要長很多,,消費者再也不會抱怨,。”一位汽車業(yè)內(nèi)人士分析稱,。
不過,,據(jù)石墨烯電池研究人士透露,目前國內(nèi)主要研究的是石墨烯運用到鋰電池上,,而非全新體系的“超級電池”,,所以國內(nèi)技術(shù)和超級電池有一定差距。國家相關(guān)部門對此很重視,,2015年出臺的“十三五”新材料規(guī)劃可能將石墨烯納入其中,。
石墨烯電池研發(fā) 日韓英德誰與爭鋒?
隨著時間的推移,,石墨烯越來越多的優(yōu)良性能被開發(fā)出來,,據(jù)稱在眾多領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用,也因此被稱為具有革命性意義的新材料,,世界上多個國家也在加快石墨烯材料方面的運用,。據(jù)了解,全球有200多家公司涉及石墨烯的相關(guān)研究和開發(fā),,其中不乏IBM,、英特爾、美國晟碟以及三星等科技巨頭,。而在產(chǎn)品專利數(shù)量上,,中國和美國遙遙領(lǐng)先。
IBM公司的研究人員通過在碳化硅晶圓的硅面上種植石墨烯,,成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路,,向研制出石墨烯計算機芯片前進了一步,。利用石墨烯研制出新型的場效應(yīng)晶體管,,其能將開關(guān)頻率提高1000多倍,可廣泛應(yīng)用于未來的電子設(shè)備和計算機中,,使之功能更強,,性能更優(yōu)異,。
而鋰電池傳統(tǒng)制造強國日本和韓國,在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機,,韓國科學(xué)家早在去年11月就宣布,,最新發(fā)明的石墨烯超級手機電池,可存儲與傳統(tǒng)電池等量的電量,,但充電時間只需16秒。而日本在電池技術(shù)上實行兩條路線并行,除了發(fā)展普通意義上的鋰電池,,他們還研究燃料電池技術(shù),,用特制的石墨烯材料替代鉑作為催化劑,來制造燃料電池車所需的氫燃料,,獲得突破,。發(fā)現(xiàn)石墨烯的英國也有很大的突破,同時在歐洲德國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也不容小覷,。
德國科學(xué)基金會(DFG)2009年7月宣布開展“石墨烯”新興前沿研究項目,,項目時間跨度為6年。該項目的目的是提高對石墨烯性能的理解和操控,,以建立新型的石墨烯基的電子產(chǎn)品,。2010年DFG啟動了優(yōu)先研究項目-石墨烯,包括38個研究項目,,前3年預(yù)算經(jīng)費為1060萬歐元,。德國于2009年由科學(xué)基金會(DFG)開展石墨烯新興前沿研究項目。在2012年10月,,德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家成功制成石墨烯光電探測器,,石墨烯制成的光電探測器能非常快速地處理和引導(dǎo)光電信號,。
特斯拉公司廣受好評的Model S電動汽車這款電動汽車的電池使用的材料便是石墨烯,。2014年12月26日,美國電動汽車制造商特斯拉發(fā)布了兩年前停產(chǎn)的第一代車型Roadster的升級版,,續(xù)航里程達到644公里,,高出原版60%。電池技術(shù)的進步,,提升了特斯拉產(chǎn)品的性能,。新改進的18650型鋰電池的容量大幅度加大,6831節(jié)電池組數(shù)量沒有增加,,但電池組的總?cè)萘繌?3kWh提高到了70kWh,。此前Roadster的續(xù)航里程是393公里。特斯拉CEO馬斯克稱,,特斯拉的高性能石墨烯電池,,相比目前的容量增長近70%。
隨著特斯拉石墨烯電池研發(fā)取得較大進展,,成本與充電時間將可能大幅下降,,國內(nèi)越來越多公司想擠進石墨烯行業(yè)。而在未來,,我們可期待的屏幕可折疊手機,、平板電腦等電子產(chǎn)品,,也將依賴石墨烯。
英國科學(xué)家發(fā)明石墨烯10年后,,在電池上的應(yīng)用獲得巨大突破,。12月初,西方媒體報道,,西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研發(fā)的石墨烯電池,,一次充電時間只需8分鐘,可行駛1000公里,。它被石墨烯研究者稱做“超級電池”,。 西班牙的“超級電池”很快將像特斯拉一樣應(yīng)用于汽車上,據(jù)西方媒體報道,,它的擁有者12月在德國兩大汽車巨頭的汽車上進行試驗,,并在2015年第一季度生產(chǎn)上市使用。