石墨烯:接棒硅时代?

日期:2019-10-23编辑作者:化工塑胶

正是看到了石墨烯的应用前景,许多国家纷纷成立石墨烯相关技术研发中心,尝试使石墨烯商业化,进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用产权。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”,设立专项研发计划,将在10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所,力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。

随着政府的积极介入,石墨烯产业已经初步形成政府、科研机构、研发和应用企业协同创新的“官产学研”合作对接机制,良性发展态势有助于 石墨烯企业充分享受地方政策、税收优惠以及资金支持,未来产业化发展有望加速。

石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料。它的透光率高达97.7%,几乎完全透明;导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石;常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s,高于硅晶体;而电阻率只有10-8Ω·m,比银更低,为世上电阻率最小的材料。如此看来石墨烯可谓实至名归。

然而,目前石墨烯应用产品真正实现规模化生产的企业还屈指可数,珠海聚碳石墨烯润滑油、充电宝、防腐涂料均已实现量产,石墨烯产业整体 应用产品达到成熟的产业规模仍需要一段时间。

曼彻斯特大学副校长ColinBailey称:“石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用,从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。”科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。这里提到的石墨烯,究竟是何方神圣?它真的能带来颠覆吗?

不过,在国家及地方政府的支持下,近几年我国石墨烯产业化快速发展,初步构建起以石墨烯原材料、研发、制备、应用为主体的产业链。截至 2017年我国从事石墨烯产业的企业已突破千家,产业化应用已在不断推进。

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石墨烯被誉为“新材料之王”,自发现以来,国家、企业、学者对其的研究热情持续高涨,也促进石墨烯产业化应用快速发展。

李义春将我国石墨烯电池的研究分为两部分:在传统锂电池上进行应用以及依据石墨烯制造一个新体系的电池。石墨烯超级电池的成功研发,克服了电池产业的发展瓶颈,解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间过长的问题,若能批量生产,则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。而美国麻省理工学院成功研制的表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,为光伏产业的生存提供了出路。

目前有关石墨烯的专利技术主要集中下述方面:石墨烯的制备;石墨烯用作锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料等;石墨烯用于制备半导 体器件;石墨烯用于制备复合材料等;石墨烯用于制备触摸屏、透明电极;石墨烯用于传感器;石墨烯用于结构材料及石墨烯在晶体管和半导体 领域的研究。 从专利的主攻方向来看,制备高品质的单层及多层石墨烯是当前石墨烯制备技术中的重点和难点,同时未来最有可能产业化推广应用的领域将是电池行业、电子行业等。

产业发展亮点频现的同时,也折射出产业泡沫化的隐忧。石墨烯巨大的商业价值激起了政企的投资热情,以致大量资金迅速涌入石墨烯领域,行业规模空前膨胀。中科院院士刘忠范认为,国内的石墨烯研究存在太多急功近利的行为。在巨大发展前景面前,谁都不愿放弃唾手可得的利益空间,一些与石墨烯毫无关联的草根企业甚至也改头换面加入研发大军。在石墨烯科研进展缓慢的当下,这种火热程度恐怕归根结底是资本炒作在作祟。这里也似乎折射着当年造船热和光伏热的缩影,有企业家的盲目,也有地方政府的GDP冲动。“一窝蜂而上的结果必定是一窝蜂而下”,刘忠范如是说。如果商业领域一味夸大其神奇之处,可能会导致石墨烯产业变成泡沫,一旦破裂,那么也许技术和工业的进展也无法拯救它。

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石墨烯在航天军工领域的应用优势也极为突出,它的高导电性、高强度、超轻薄等特性弥补了传统材料的缺陷。美国NASA已开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。同时,石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。

也就是说,近五至十年,甚至更长一段时间内,上述领域是石墨烯有希望最先产业化的领域,也是石墨烯最具投资机会的领域。

“石墨烯最有可能在新能源电池、电子设备和航空航天领域实现商业化应用”,基于目前已有的研究成果,中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春做出如此预测。他同时表示:“2015年将成为中国石墨烯产业爆发的元年,今年以石墨烯为添加剂的锂电池有望最早实现产业化生产。”

今年6月,珠海聚碳和哈尔滨工业大学成立石墨烯电池实验室,正是企业与大学科研合作的成功案例。据悉,聚碳研发的石墨烯聚合材料电池储 能量传统电池产品的三倍,体积也小一半、充放电时间快。虽然这些数据仍处于试验阶段,但毫无疑问增加了新材料石墨烯在动力电池领域更多可能性。

石墨烯的“神奇”并不局限于新型电池,华为创始人任正非曾说,未来10~20年内会爆发一场技术革命颠覆时代,石墨烯时代将取代硅时代。作为新一轮材料革命的种子选手,各国均致力研发以求抢占先机。一股石墨烯研究热潮在全世界范围悄然升温,其商业化过程中存在的问题也层出不穷地浮出水面。

其次,将企业定位为研发主体,有效推进产研结合。当今世界石墨烯的主流研发主体皆根植于企业,如韩国的三星公司,引领产学研结合的多维格局。而在我国,石墨烯相关技术的研发主体仍然是大学和科研机构。这就造成虽科研成果众多但实际应用价值不高的研发现状。针对该现象,深圳清华大学研究院原院长冯冠平认为:“可参考美国模式,在产业发展初期加大投入力度,政府推动引导资金向高科技资金、孵化器企业倾斜,利用企业的主体地位推动创新。”让研发主体立足于企业,这将从根本上解决我国技术列车的脱节问题。

目前全球已有超过200个机构和1000多名研究人员从事石墨烯技术的开发和研究,其中不乏三星、IBM等科技巨头,也有中国的新兴科技企业。经过几年发展,我国石墨烯产业基本形成以江苏省为聚合区,其它多地碎片化存在的产业格局。其中,仅常州市就有石墨烯原料制备及应用领域企业33家,高新技术企业16家。常州二维碳素科技有限公司于2013年建成国内首条年产3万平方米石墨烯透明导电薄膜生产线,成为全球首家拥有独立知识产权、率先实现石墨烯手机触摸屏生产的企业。而常州第六元素材料科技股份有限公司2013年开发出国内首条大规模、全自动粉体石墨烯生产线,在提高产能的同时大大降低石墨烯价格,让石墨烯大规模工业化应用成为可能。

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