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2015年,石墨烯很忙。对于科技小白来说,石墨烯究竟是什么鬼?未来市场应用前景如何?今天与大家分享一篇有关石墨烯的干货~

一、起点

英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆(Andre Geim)和康斯坦丁•诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)二人因为在“二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖之后,任何与石墨烯有关的新闻或者研究成果都受到了人们极大的关注。

二、定义

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,几乎完全透明,只吸收2.3%的光;导热系數高達5300 W/m•K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V•s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-8 Ω•m,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料(完全摘自维基百科)。

这所有的光环似乎都在告诉人们,石墨烯是一种多么神奇的材料啊!然而,很关键的一点是:国际上对石墨烯(Graphene)的定义是1-2层的nanosheet才能称之为是Graphene,并且只有没有任何缺陷的石墨烯才具备这些完美特性!!

热门应用领域

2015年石墨烯是忙碌的一年,有许多关于石墨烯新发展、新思想和新进步的报道。

1、电子元器件

石墨烯基材料显示了在高效能源储存设备中的优势

研究人员报道了石墨烯基材料的特殊电学性能,将可能用于生产更好的储能设备。这种发展方向符合卢森堡大学物理学家三年前对于特殊复合材料不同寻常特征的理论预测。这些计算结果现在已经被法国波尔多的“保罗·帕斯卡研究中心”所证实,被命名为高k材料,可用来生产更高效的储能设备——使得电子产品更小、更快和更高效。早期的计算结果是比较令人失望的——不同于聚合物和碳纳米管和复合材料,特定聚合物和片状石墨烯制成的复合材料并不能像预期的一样可以增加材料的导电率。这些坏消息影响了石墨烯在导电复合材料的发展前景。

2、传感器

曼彻斯特大学研究人员展示了石墨烯在可穿戴电子领域的应用潜力

曼彻斯特大学的研究人员验证了石墨烯的导电性和灵活性,这对于可穿戴电子设备的引用来说至关重要,打开了无电池自由医疗和健康监测、手机、联网设备,以及和衣服及‘智能’皮肤应用(打印石墨烯基传感器并集成其他二维材料,放入患者皮肤上监测温度,压力以及湿度)。研究人员打印石墨烯来建立输电线和天线,用于通讯设备。他们用人体模型,即在他们的手臂上粘贴了石墨烯增强天线,发展这些设备能够相互通信,有效的建立一个身体通信系统。这些结果显示这种石墨烯基的组件可以为可穿戴设备提供所需的性能及功能。

3、电池

新型催化剂可以改善燃料电池和锂空电池性能

韩国蔚山国家科学技术研究所的研究人员(UNIST)宣布一种铁-碳复合催化剂可以有助于降低燃料电池和锂空电池的成本。铁和氮和碳复合催化剂包含nanoplate使用石墨烯。据报道,它比现有碳催化剂的耐用性和性能,并允许在一个低成本的大规模生产。研究人员希望,它将能够有助于金属气质电池的商业化。碳复合材料催化剂包括铁、氮以及石墨烯纳米薄片。据报道,它比现有的碳催化剂具有更高的耐用性和性能,并可以在低成本下进行大规模生产。研究人员希望这将能够帮助金属锂空电池商业化。

4、医疗健康

曼彻斯特大学研究人员展示了石墨烯在可穿戴电子领域的应用潜力

曼彻斯特大学的研究人员验证了石墨烯的导电性和灵活性,这对于可穿戴电子设备的引用来说至关重要,打开了无电池自由医疗和健康监测、手机、联网设备,以及和衣服及‘智能’皮肤应用(打印石墨烯基传感器并集成其他二维材料,放入患者皮肤上监测温度,压力以及湿度)。研究人员打印石墨烯来建立输电线和天线,用于通讯设备。他们用人体模型,即在他们的手臂上粘贴了石墨烯增强天线,发展这些设备能够相互通信,有效的建立一个身体通信系统。这些结果显示这种石墨烯基的组件可以为可穿戴设备提供所需的性能及功能。

5、复合材料

石墨烯基材料显示了在高效能源储存设备中的优势

研究人员报道了石墨烯基材料的特殊电学性能,将可能用于生产更好的储能设备。这种发展方向符合卢森堡大学物理学家三年前对于特殊复合材料不同寻常特征的理论预测。这些计算结果现在已经被法国波尔多的“保罗·帕斯卡研究中心”所证实,被命名为高k材料,可用来生产更高效的储能设备—使得电子产品更小、更快和更高效。

早期的计算结果是比较令人失望的—不同于聚合物和碳纳米管和复合材料,特定聚合物和片状石墨烯制成的复合材料并不能像预期的一样可以增加材料的导电率。这些坏消息影响了石墨烯在导电复合材料的发展前景。

6、超级电容器

莱斯大学创建柔性、高效的固态微超级电容

莱斯大学的研究人员将其前期发明的激光烧结石墨烯(LIG)用于柔性固态微电容,领先于能量存储和释放的其他竞争对手。据报道,这种激光烧结石墨烯固态微电容可以充电50次,充电速度快于电池,放电较传统电容慢,并可以和商用的超级电容在充电和放电两个方便不相上下。这种设备通过运用商用激光,室温条件下,在塑料薄片上烧结电极图样,解决复杂制造工艺条件对于这个推广微电容存在的制造瓶颈。

7、涂料

第六元素呈现其石墨烯-锌防腐底漆

第六元素(常州)是一家专注于石墨烯及相关材料研发、规模化生产和销售的公司。在美国IDTechEx主办的石墨烯大会上,第六元素展示了其用于海上风力发电塔的石墨烯-锌防腐底漆,和传统的富锌环氧底漆相比,这种石墨烯产品非常具有竞争力。第六元素拥有50和300吨/年生产线为氧化石墨烯和石墨烯粉末。他们的产品范围从增强石墨烯、能源存储类型石墨烯,到热传导型石墨烯和石墨烯防腐类型。

8、3D打印

石墨烯三维实验室公司发起私募融资

石墨烯三维实验室公司宣布启动一个非代理私人配售,340万单位总价格85万加元(约61.9万美元)。每单位包含一个共同分享和一个不可转让股票购买认股权证。公司表示,所得的资金将主要用于扩大其业务和一般营运资金用途。

9、太阳能电池

石墨烯保护层防止银纳米线受到的辐射损伤

普渡大学的研究人员建议运用超薄石墨烯涂层包裹纳米银线来保护其结构免受破坏,这将可能成为石墨烯的一个商业化的发展方向。银纳米线被认为有望在柔性显示,太阳能电池等领域实现应用,但他们对紫外线辐射具有敏感性,容易损伤,这导致恶劣的环境限制的其商业化。科学家们表示,由石墨烯和纳米银制造的设备可以用在计算机和消费电子中制造太阳能电池,柔性显示。对于“光电”电路等来说,石墨烯可以从纳米线中“吸取和传递”大部分热能。普渡大学的物理和天文系的拉曼光谱研究结果表明,石墨烯保护的纳米线可以承受2.5兆瓦/每平方厘米的高能激光照射,而未保护的纳米线在0.8兆瓦/每平方厘米激光的照射下,就会引起损坏。石墨烯还有助于阻止潮气的侵蚀。

10、显示

新型透明石墨烯电极提高OLED显示器的透明度和质量

韩国EYRI的研究员(电子和通讯研究所)为OLED面板开发了一款透明的石墨烯基电极。研究人员声称,相比目前的银基电极,这些新的电极提高了OLED40-60%的透明度和“画面质量”。研究人员解释说,目前的金属(大部分为银)基电极具有一个显示角度极限,因为他们的内部光反射,并且外部光线反射影响了画面质量。石墨烯电极为透明的并且可以减少这种反射的40-60%。

未来行业概况

2016 年,石墨烯每公斤售价可望降至200 美元以下,将使市场接受度大增,加速在智慧手机散热膜、抗腐蚀涂料、电池等应用大量商用化进程。有消息称,等到石墨烯每公斤的价格下降至 200 美元以下,石墨烯首款大量商用化的应用就是手机导热材料。由于石墨烯的导热系数是目前人类已知材料中最高的,所以逐渐被使用在导热或散热的领域;加上智能手机愈做愈薄,原本传统智能手机散热膜采用的涂料厚度是 24 微米,用石墨烯可能只有 5 微米;也就是说,未来智能手机设计要更轻薄,关键非石墨烯莫属。

瞄准石墨烯材料的特性,未来在智能手机散热膜、锂电池、半导体等应用的庞大商机,三星、乐金、Google、IBM、华为等国际科技大厂,早都砸下重金投入石墨烯技术研发;同时也在产品线内大量应用石墨烯散热膜,将之安装在手机内部的电路板,帮助处理器散热,导热到外面的机壳。

2015 年 10 月,华为宣布与英国曼彻斯特大学合作研究石墨烯应用。华为创办人任正非指出,现在矽的制程极限是 7 纳米,已接近临界点,未来 10 至 20 年内将爆发一场技术革命,未来最大的颠覆事件,就是石墨烯取代矽的时代来临。石墨烯材料的独特性,也让美国、中国、韩国、日本、马来西亚及欧盟纷纷挹注庞大资金展开相关研究与技术布局,其中,中国《新材料产业十二五发展规画》中,已将石墨烯做为前线新材料重点发展之一;并在 2015 年底将石墨烯纳入《新材料产业十三五发展规划》中。

随着石墨烯价格下探,也将延伸至更多元化应用。分析人士认为,等到石墨烯每公斤降至150 美元,在抗腐蚀涂料的市场接受度将大增;若降至每公斤120 美元,则可能提高在超级电容的市场能见度;至每公斤100 美元时,将有助扩大在电子元件的市场渗透率。但现阶段要能进一步扩大石墨烯应用,配方、表面改质(例如制作成片状、卷曲或一朵花的形状)将成关键。

 

石墨烯堪比材料领域的互联网,与不同材料、技术结合起来能够形成具备特殊性能、满足特定应用的新型“材料”。如同“互联网+”的发展趋势,“石墨烯+”也有望成为未来材料领域发展的一大趋势。但由于石墨烯研发历史不超过10年,现在还处于产业化初期,规模化变革还未出现。我们建议要特别关注石墨烯产业化应用的技术路线,结合国内外研发、应用的实际情况做相应投资,并重点关注有望率先实现产业化应用的领域。石墨烯的发展可以分为早期、中期和远景三个的阶段,目前早期可预期的应用主要集中于锂电池添加剂、超级电容电极材料、散热材料、透明导电膜和金属基复合材料等领域。石墨烯产业早期主要聚焦于学术研究和制备石墨烯,中期则强调工业化大规模制备石墨烯以及在下游的应用,远期则更加注重石墨烯的多功能、更高效、低成本趋势。目前,全球石墨烯产业正处于早期研究向中期应用转变的阶段。

2016年或将成为石墨烯产业化应用的关键年,前期石墨烯市场将突破50亿。2014年我国从事石墨烯产业的企业已突破千家,石墨烯产业链市场规模达到233.3亿元,产业化应用已在不断推进。而根据我们对导电添加剂(8亿)、超级电容器(2亿)、电子设备散热材料(36亿)、透明导电膜以及军工材料(1亿)市场的估算,石墨烯前期市场空间在50亿以上,未来导电添加剂市场将突破50亿元,透明导电膜和军工材料市场空间均在百亿以上。石墨烯产业在我国未来发展中将扮演重要角色。目前石墨烯仍处于产业发展的初级阶段,作为一种新兴材料,石墨烯产业化的时间尚短,全球都几乎处于同一起跑线,而中国走在世界前列。目前,决定竞争力的关键因素是技术储备,拥有石墨烯核心技术的公司有望取得先机,从而成为未来石墨烯产业的领头羊。