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中国石墨烯生长状态清点,专利抢先环球!

2017-02-14

石墨烯(Graphene)是从石墨质料中剥离出来、由碳原子构成的只要一层原子厚度的二维晶体。2004 年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫从石墨中剥离出了石墨烯,突破了实际物理学界半个世纪以来关于石墨烯没法稳固存在的结论。

  石墨烯奇特的电学机能、力学性能、热机能、光学机能和较下的比表面积,使其一经发明便遭到人们的普遍存眷,被誉为“黑金”、“改动 21 世纪的奇异质料”、“全能质料”等,它的发现者也因而于 2010 年得到诺贝尔物理学奖。

  

 政策助力,产业化程序悄悄减速

  1、国度大力支持的新兴产业

  石墨烯各方面优秀的特性显现出伟大的运用潜力取商业化代价,列国当局前后公布政策投入人力物力,展开石墨烯的运用取研发。

  我国对石墨烯范畴的研讨取开辟也较早就赐与了存眷。2007-2012 年,中国国家自然科学基金委员会对石墨烯项目累计赞助经费到达 3.30 亿元,科技部和中国科学院对石墨烯的累计赞助经费离别到达了 5915 万元和 4605 万元。十二五计划、十三五计划等一系列文件皆将石墨烯归入大力发展的新材料范畴。

  2、石墨烯专利持有我国夺得冠军

  正在国度计谋指引下,石墨烯相干研发结果显现出发作式增进,2005 年至 2014 年,环球关于石墨烯的专利共有 25,855 项,个中 2014 年有凌驾 9000 项申请。我国对石墨烯的研讨和开辟取国际一向连结同步,并正在石墨烯手艺研发方面处于国际前线,石墨烯研发和专利持有已正在环球占有一席之地,停止 2014 年,我国石墨烯申请专利占环球总专利数的 47%,遥遥领先于第二名的美国(占比 18%)。另外,停止到 2015 年 8 月,中国正在石墨烯范畴发表文章占环球的 34%,远高于第二名美国(19%)。但同时也应看到,我国的石墨烯专利数目虽多但质量较差,根蒂根基专利少、运用专利多,且大多集中正在导电添加剂、防腐涂料等低端应用领域,而美国、欧洲等则将重要目的对准高频晶体管、光电探测器和传感器等高端应用领域。

  3、产业化进入快车道

  产业化方面,2013 年包孕华为、东旭光电在内的支流企业取清华大学等科研机构配合竖立了“中国石墨烯家当技术创新计谋同盟”(CGIA),以构建产学研一体化平台,配合鞭策石墨烯的产业化生长。正在地方政府的支撑下,宁波、常州、无锡、青岛、重庆五天设立石墨烯产业园区,集中生长石墨烯家当,无锡市企图正在 2015 年石墨烯及相干家当范围打破 50 亿元,2020 年到达 300 亿元。宁波市企图正在三年内设立 9000 万的财政资金,并正在 10 年内打造千亿级范围的家当特征群。另外,江苏、内蒙古、山东等天接踵建立石墨烯同盟,旨在增进政、企、产、学、研相结合,构建以石墨烯原材料、研发、制备、运用为主体的产业链。各方的配合鞭策使我国石墨烯产业化历程进入快车道,石墨烯家当显现出兴旺生长的势头,第六元素、宁波朱西、重庆朱希、二维碳素等优异石墨烯企业络续出现。

 产业化大幕拉开——低端范畴现已切入,高端范畴将来可期

  1、制备:石墨烯粉体及多晶薄膜已初具规模,单晶薄膜有待打破

  自 2004 年石墨烯被初次制备以来,研究人员生长了多种要领制备石墨烯,各种制备要领可归纳为 2 个支流道路,即自上而下( -Down)和自下而上(Down- )的要领。前者一般以石墨为质料,接纳物理或化学的要领将石墨解离成单层或多层的石墨烯,制成的石墨烯单晶一样平常尺寸较小,以微片情势存在。包孕机器剥离法、液相剥离法、氧化还原法等;后者一般以露碳气体或固体化合物为质料,经由过程化学要领应用碳原子构建石墨烯。除此之外,借有一些对照另类的消费要领如碳纳米管睁开法、份子自组装法等。现在,下质量大面积石墨烯单晶的制备借处于探究阶段,差别制备要领获得的石墨烯,其物理化学特性不一样,对应着差别的应用领域。

  2、我国石墨烯制备的产业化近况

  低端范畴消费曾经初具规模。现在,海内局部厂家如第六元素、宁波朱西、重庆朱希、二维碳素等厂家曾经实现了氧化还原法或液相剥离法石墨烯粉体和 CVD 法石墨烯薄膜的规模化消费。凭据不完全统计,目前我国石墨烯粉体产能共计3450 吨/年,石墨烯薄膜产能 105 万平米/年,但现在消费的石墨烯质量较差,仅能知足涂料、锂电池添加剂、复合材料添加剂、触摸屏等低端范畴的需求。

  高端范畴消费短期内较易打破。高速电子器件、光电探测器等高端范畴需求大面积下质量的石墨烯单晶,取一般多晶态石墨烯薄膜比拟,单晶石墨烯薄膜制备非常难题,现在只能做到毫米级巨细,取可适用化的晶圆级巨细仍有相称间隔,短期内较易打破,化学气相堆积法是最具开辟潜力的制备手艺。

  3、运用:低端需求逐渐翻开,高端范畴受制于下质量石墨烯的制备

  跟着批量化生产和大尺寸薄膜制备等困难的逐渐打破,石墨烯的产业化运用程序正在加速,现在锂离子正极质料导电添加剂、导热质料、塑料添加剂、导电油墨等低端应用领域行将进入或曾经实现产业化。我国石墨烯家当正逐步由产业化早期步入快速成长期。

  4、石墨烯下流运用产业化近况

  低端需求开端翻开。受制于石墨烯的规模化制备,现在仅导电墨水、锂电池添加剂、涂料及复合材料添加剂、触摸屏等低端应用领域的需求开端翻开。

  1)锂电池方面运用

  石墨烯作为导电添加剂借能够处理钴酸锂等正极质料高压真比取电池机能之间的抵牾题目,接纳石墨烯导电剂的钴酸锂电池容量下出 3%,且具有显着更好的 2C 倍率放电机能。石墨烯还可涂覆正在铝箔集流体上,构成石墨烯功用涂层铝箔有助于进一步提拔锂电池的综合机能。跟着宁波朱西科技有限公司石墨烯涂层铝箔试生产线的建成,此项新技术无望正在锂离子电池中获得普遍运用。

  值得一提的是,作为添加剂,石墨烯仅仅加强了正极质料的导电性,并没有改动电极质料的比容量,因此不会大幅增添锂电池的能量密度。要念大幅增添锂电池能量密度,需拔取具有更高比容量的电极质料。现在,多篇已宣布论文称应用 石墨烯- 硫或石墨烯- 硅作为锂电池的正负极可大大增添锂电池的能量密度,但此类电池现在借处于实验室阶段,间隔产业化运用还需较长时间。

  2)石墨烯导热质料

  石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数,同时比表面积伟大,因而作为辅佐散热的外面涂层具有伟大的运用远景。应用石墨烯可制成具有下导热系数的石墨烯散热片/膜,应用于手机、电脑等电子产品和下功率 LED 芯片中,以加强器件机能,延伸其事情寿命。另外,作为添加剂借可应用石墨烯制成石墨烯改性的复合材料,如热导纤维和导热塑料等。该手艺范畴市场伟大,正在我国的电子和工程范畴有急迫的市场需求,手艺难度小、工艺相对成熟,有快速进入市场的时机。

  3)石墨烯导电塑料和油墨

  石墨烯可作为新型导电油墨和塑料的主添补料,也可取纳米银粉等混淆配制成新型导电浆料或油墨,经由过程改动石墨烯的添补比例,可调治导电油墨的电阻率和附着机能。美国 Vorbek 质料公司的石墨烯导电油墨曾经正在物联网隐形条形码手艺中最先运用。我国物联网市场伟大,远景诱人,以增加石墨烯为主的导电塑料能够正在防静电应用领域获得鼎力大举推行,工艺轻便、本钱昂贵、结果显着。

  4 )石墨烯防腐涂料

  石墨烯奇特的二维构造使得它既能够正在涂层中构建导电导热通道,又能够相互拼接构成周密的迷宫式物理屏蔽,阻隔侵蚀因子。因而,石墨烯涂料具有导电、导热、防腐、电磁屏障等多种功用。别的,石墨烯微片能够加强涂层的附着力,使涂层具有优秀的耐磨和耐刮擦机能。因而,石墨烯涂料正在飞机、船舶、车辆、桥梁、建筑物、集装箱、油罐、等范畴具有运用远景。

  5 )石墨烯电容屏

  石墨烯薄膜最早实现商业化运用的范畴是触摸屏范畴,用于替换传统的 ITO(氧化铟锡)薄膜。2012 年 1 月 8 日,江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技公司结合相干企业经由过程研讨实现了石墨烯薄膜质料和现有 ITO 模组工艺线的对接,环球初次胜利制成石墨烯电容屏手机样机。2015 年 3 月 2 日,重庆朱希科技有限公司取嘉乐派科技有限公司结合公布了环球首批 3 万部石墨烯手机,该款手机接纳了最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜,开启了石墨烯产业化运用的新时期。

 家当行将进入快速成长期,将来市场规模伟大

  将来 5-10 年,导电添加剂、防腐涂料、触摸屏等低端应用领域的产业化将趋于成熟,超等电容、传感器、电子芯片等中高端范畴也将逐步进入产业化,石墨烯家当将进入快速成长期,市场空间将快速扩大。

  据展望,2018 年环球石墨烯市场规模能够高达 1.95 亿美圆,以后将减速生长,于 2023 年凌驾 13 亿美圆,复合增长率高达 47%。2023 年石墨烯下流重要市场范畴包孕超等电容、显现、构造质料等。

 


转载自电子发烧友