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(rèn)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(qiáng)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(jìn)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(fù)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(jī)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(jìn)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(dá)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(dá)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(tuán)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(jī)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(jī)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(jìn)，手機(jī)、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(jìn)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)?；a(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(yuǎn)發(fā)展策略，隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)化的不斷推進(jìn)，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(jī)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(jìn)了創(chuàng)新資源優(yōu)化組合和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(jī)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(jìn)行應(yīng)用，目的是改進(jìn)、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(yuǎn)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。“超級電池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(jī)芯片前進(jìn)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(jī)中，使之功能更強(qiáng)，性能更優(yōu)異。
而鋰電池傳統(tǒng)制造強(qiáng)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(jī)，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(jī)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?？焖俚靥幚砗鸵龑?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(dá)到644公里，高出原版60%。電池技術(shù)的進(jìn)步，提升了特斯拉產(chǎn)品的性能。新改進(jìn)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(jìn)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(jìn)石墨烯行業(yè)。而在未來，我們可期待的屏幕可折疊手機(jī)、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(jìn)行試驗，并在2015年第一季度生產(chǎn)上市使用。
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