石墨烯产业应用前景广阔加速前进合山

2021-01-13 02:22

石墨烯产业应用前景广阔 加速前进

导读:石墨烯从发现至今,产业化得到了快速的发展,产业化发展呈现加速的态势。近年来每年都支持数百个与石墨烯相关的研究课题,相关项目累计已达1000多个。国家发改委、工信部在商讨出台新材料重大研究计划时,也多次组织对石墨烯产业的调研。

石墨烯--开发潜力的新材料

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯此前一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫,用一种简单的机械剥离法成功地分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是世界上已发现的薄、强度高的纳米材料,也是导电性、导热性出色的材料。在各国政府关注石墨烯产业发展之时,我国也先后推出了促进石墨烯产业化发展的相关规划和政策。据悉,石墨烯在今年被科技部列为“863”计划纳米材料专项重点支持内容;而在“十三五”科技发展规划中,石墨烯研发及产业化也有望独占一席。国家自然科学基金委对石墨烯基础研究也给予了高度重视。

行业联盟加速推进

由于矿产资源赋存的不平衡性,任何国家都不可能完全立足国内以满足经济发展对矿产资源的需要,到境外参与全球资源配置是获得短缺矿产的一个重要途经,重视自己短缺的关键性矿产并早作应对,适时弥补则是有远见的策略。2010年,欧盟委员会在研究全球46种矿产的基础上,将14种矿产确定为关键性矿产原材料,其中有9种主要产自中国(锑、萤石、锗、石墨、稀土、钨、镓、铟、镁);美国兰德公司于2013年发布了《关键和战略性矿产威胁美国制造业的报告》,同样确定了14种需要的关键战略性矿产原材料,定义为难以获得的战略性矿产,其中有11种主要来自中国(稀土、钨、锗、石墨、萤石、锑、铟、重晶石、钒、镓、镁)。

行业联盟的成立加速了石墨烯产业链、创新链、价值链的形成。去年7月13日,由清华大学、中科院金属研究所、南京科孚纳米技术有限公司、中科院宁波材料技术与工程研究所、北京现代华清材料科技发展中心等核心单位发起,联合国内从事石墨烯研发、产业化的22家法人机构,在中国产学研合作促进会的支持下成立了中国石墨烯产业技术创新战略联盟。短短1年多时间,联盟在促进产业化发展方面成绩斐然:先后在无锡、青岛、深圳和宁波布局了4个石墨烯产业创新基地;推动成立江苏省、山东省等省级石墨烯产业技术创新战略联盟;启动中国(泰州)石墨烯研究及检测公共服务平台;成立中国石墨烯标准化委员会,并发布全球明确给出石墨烯关键名词术语和定义的标准即中国石墨烯第1号标准《石墨烯材料的名词术语与定义》。

近年来,世界石墨烯技术发展呈现突飞猛进的持续升温态势,各国都在这新一轮的高技术竞争中争分夺秒抢占先机。2013年,欧盟宣布将石墨烯列入未来新兴旗舰技术项目。中国作为石墨资源大国和制造业大国,不但在石墨烯研究方面与国际同步,而且在石墨烯应用方面具有巨大的市场空间,由此成为全球石墨烯行业共同关注的焦点。

加速方向:从应用领域突破瓶颈

石墨烯产业化目前风风火火,但仍然炼不出横亘其前的重要的一块金子——应用研究的根本突破。

石墨烯应用领域十分广泛,未来将在散热材料、锂电材料、储能材料等领域获得应用。但专家指出,目前有价值的应用应该还是在半导体领域如晶体管、高频元件、传感器等。一旦晶圆级尺寸石墨烯单晶薄膜的规模化制备技术取得突破,石墨烯将有望取代硅成为新一代半导体器件的核心材料,将为电子信息技术带来革命性的变化。但是这对全世界都是一个巨大的难题,可能需要十几年甚至数十年的努力,而且这一领域本身的资金、技术门槛都很高。

至于石墨烯早能实现产业化应用的领域,专家认为可能还是石墨烯粉体以添加剂的形式应用于锂离子电池、涂料、油墨、塑料等领域。例如,将石墨烯应用于锂离子电池可以解决传统锂电池能量密度和功率密度难以兼得的问题,因此石墨烯在锂离子电池中应用是一个非常有前途的方向。石墨烯可以在多个方面应用于锂电池中,比如石墨烯复合负极材料,如硅碳复合负极材料;也可以作为锂电池正负极材料的导电添加剂,还可以涂覆于铝箔集流体上,形成石墨烯功能涂层铝箔石。

然而,上述这些目前都处在“进行时”甚至“将来时”。近年来,石墨烯粉体在规模化制备技术上取得了巨大进步,目前成本已经从初的几千元1克降到大批量生产时的每克几元甚至低于1元。尽管尚未经过产品均一性、稳定性等的考验,但为其在下游的应用提供了极大可能。

相比之下,石墨烯在下游的应用研究就显得相对滞后。目前石墨烯产业大的瓶颈仍在于下游应用,还没有一个领域可以实现石墨烯的规模化应用。因此,业内人士指出,尽快实现石墨烯在下游的某一两个应用领域的突破是当前石墨烯产业化的关键。

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