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2015年,石墨烯很忙。對于科技小白來說,石墨烯究竟是什么鬼?未來市場應用前景如何?今天與大家分享一篇有關石墨烯的干貨~

一、起點

英國曼徹斯特大學物理學家安德烈?海姆(Andre Geim)和康斯坦丁?諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)二人因為在“二維石墨烯材料的開創性實驗”共同獲得2010年諾貝爾物理學獎之后,任何與石墨烯有關的新聞或者研究成果都受到了人們極大的關注。

二、定義

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌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卻也是最堅硬的納米材料,幾乎完全透明,只吸收2.3%的光;導熱系數高達5300 W/m?K,高于碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V?s,又比納米碳管或硅晶體高,而電阻率只約10-8 Ω?m,比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料(完全摘自維基百科)。

這所有的光環似乎都在告訴人們,石墨烯是一種多么神奇的材料啊!然而,很關鍵的一點是:國際上對石墨烯(Graphene)的定義是1-2層的nanosheet才能稱之為是Graphene,并且只有沒有任何缺陷的石墨烯才具備這些完美特性!!

熱門應用領域

2015年石墨烯是忙碌的一年,有許多關于石墨烯新發展、新思想和新進步的報道。

1、電子元器件

石墨烯基材料顯示了在高效能源儲存設備中的優勢

研究人員報道了石墨烯基材料的特殊電學性能,將可能用于生產更好的儲能設備。這種發展方向符合盧森堡大學物理學家三年前對于特殊復合材料不同尋常特征的理論預測。這些計算結果現在已經被法國波爾多的“保羅·帕斯卡研究中心”所證實,被命名為高k材料,可用來生產更高效的儲能設備——使得電子產品更小、更快和更高效。早期的計算結果是比較令人失望的——不同于聚合物和碳納米管和復合材料,特定聚合物和片狀石墨烯制成的復合材料并不能像預期的一樣可以增加材料的導電率。這些壞消息影響了石墨烯在導電復合材料的發展前景。

2、傳感器

曼徹斯特大學研究人員展示了石墨烯在可穿戴電子領域的應用潛力

曼徹斯特大學的研究人員驗證了石墨烯的導電性和靈活性,這對于可穿戴電子設備的引用來說至關重要,打開了無電池自由醫療和健康監測、手機、聯網設備,以及和衣服及‘智能’皮膚應用(打印石墨烯基傳感器并集成其他二維材料,放入患者皮膚上監測溫度,壓力以及濕度)。研究人員打印石墨烯來建立輸電線和天線,用于通訊設備。他們用人體模型,即在他們的手臂上粘貼了石墨烯增強天線,發展這些設備能夠相互通信,有效的建立一個身體通信系統。這些結果顯示這種石墨烯基的組件可以為可穿戴設備提供所需的性能及功能。

3、電池

新型催化劑可以改善燃料電池和鋰空電池性能

韓國蔚山國家科學技術研究所的研究人員(UNIST)宣布一種鐵-碳復合催化劑可以有助于降低燃料電池和鋰空電池的成本。鐵和氮和碳復合催化劑包含nanoplate使用石墨烯。據報道,它比現有碳催化劑的耐用性和性能,并允許在一個低成本的大規模生產。研究人員希望,它將能夠有助于金屬氣質電池的商業化。碳復合材料催化劑包括鐵、氮以及石墨烯納米薄片。據報道,它比現有的碳催化劑具有更高的耐用性和性能,并可以在低成本下進行大規模生產。研究人員希望這將能夠幫助金屬鋰空電池商業化。

4、醫療健康

曼徹斯特大學研究人員展示了石墨烯在可穿戴電子領域的應用潛力

曼徹斯特大學的研究人員驗證了石墨烯的導電性和靈活性,這對于可穿戴電子設備的引用來說至關重要,打開了無電池自由醫療和健康監測、手機、聯網設備,以及和衣服及‘智能’皮膚應用(打印石墨烯基傳感器并集成其他二維材料,放入患者皮膚上監測溫度,壓力以及濕度)。研究人員打印石墨烯來建立輸電線和天線,用于通訊設備。他們用人體模型,即在他們的手臂上粘貼了石墨烯增強天線,發展這些設備能夠相互通信,有效的建立一個身體通信系統。這些結果顯示這種石墨烯基的組件可以為可穿戴設備提供所需的性能及功能。

5、復合材料

石墨烯基材料顯示了在高效能源儲存設備中的優勢

研究人員報道了石墨烯基材料的特殊電學性能,將可能用于生產更好的儲能設備。這種發展方向符合盧森堡大學物理學家三年前對于特殊復合材料不同尋常特征的理論預測。這些計算結果現在已經被法國波爾多的“保羅·帕斯卡研究中心”所證實,被命名為高k材料,可用來生產更高效的儲能設備—使得電子產品更小、更快和更高效。

早期的計算結果是比較令人失望的—不同于聚合物和碳納米管和復合材料,特定聚合物和片狀石墨烯制成的復合材料并不能像預期的一樣可以增加材料的導電率。這些壞消息影響了石墨烯在導電復合材料的發展前景。

6、超級電容器

萊斯大學創建柔性、高效的固態微超級電容

萊斯大學的研究人員將其前期發明的激光燒結石墨烯(LIG)用于柔性固態微電容,領先于能量存儲和釋放的其他競爭對手。據報道,這種激光燒結石墨烯固態微電容可以充電50次,充電速度快于電池,放電較傳統電容慢,并可以和商用的超級電容在充電和放電兩個方便不相上下。這種設備通過運用商用激光,室溫條件下,在塑料薄片上燒結電極圖樣,解決復雜制造工藝條件對于這個推廣微電容存在的制造瓶頸。

7、涂料

第六元素呈現其石墨烯-鋅防腐底漆

第六元素(常州)是一家專注于石墨烯及相關材料研發、規模化生產和銷售的公司。在美國IDTechEx主辦的石墨烯大會上,第六元素展示了其用于海上風力發電塔的石墨烯-鋅防腐底漆,和傳統的富鋅環氧底漆相比,這種石墨烯產品非常具有競爭力。第六元素擁有50和300噸/年生產線為氧化石墨烯和石墨烯粉末。他們的產品范圍從增強石墨烯、能源存儲類型石墨烯,到熱傳導型石墨烯和石墨烯防腐類型。

8、3D打印

石墨烯三維實驗室公司發起私募融資

石墨烯三維實驗室公司宣布啟動一個非代理私人配售,340萬單位總價格85萬加元(約61.9萬美元)。每單位包含一個共同分享和一個不可轉讓股票購買認股權證。公司表示,所得的資金將主要用于擴大其業務和一般營運資金用途。

9、太陽能電池

石墨烯保護層防止銀納米線受到的輻射損傷

普渡大學的研究人員建議運用超薄石墨烯涂層包裹納米銀線來保護其結構免受破壞,這將可能成為石墨烯的一個商業化的發展方向。銀納米線被認為有望在柔性顯示,太陽能電池等領域實現應用,但他們對紫外線輻射具有敏感性,容易損傷,這導致惡劣的環境限制的其商業化。科學家們表示,由石墨烯和納米銀制造的設備可以用在計算機和消費電子中制造太陽能電池,柔性顯示。對于“光電”電路等來說,石墨烯可以從納米線中“吸取和傳遞”大部分熱能。普渡大學的物理和天文系的拉曼光譜研究結果表明,石墨烯保護的納米線可以承受2.5兆瓦/每平方厘米的高能激光照射,而未保護的納米線在0.8兆瓦/每平方厘米激光的照射下,就會引起損壞。石墨烯還有助于阻止潮氣的侵蝕。

10、顯示

新型透明石墨烯電極提高OLED顯示器的透明度和質量

韓國EYRI的研究員(電子和通訊研究所)為OLED面板開發了一款透明的石墨烯基電極。研究人員聲稱,相比目前的銀基電極,這些新的電極提高了OLED40-60%的透明度和“畫面質量”。研究人員解釋說,目前的金屬(大部分為銀)基電極具有一個顯示角度極限,因為他們的內部光反射,并且外部光線反射影響了畫面質量。石墨烯電極為透明的并且可以減少這種反射的40-60%。

未來行業概況

2016 年,石墨烯每公斤售價可望降至200 美元以下,將使市場接受度大增,加速在智慧手機散熱膜、抗腐蝕涂料、電池等應用大量商用化進程。有消息稱,等到石墨烯每公斤的價格下降至 200 美元以下,石墨烯首款大量商用化的應用就是手機導熱材料。由于石墨烯的導熱系數是目前人類已知材料中最高的,所以逐漸被使用在導熱或散熱的領域;加上智能手機愈做愈薄,原本傳統智能手機散熱膜采用的涂料厚度是 24 微米,用石墨烯可能只有 5 微米;也就是說,未來智能手機設計要更輕薄,關鍵非石墨烯莫屬。

瞄準石墨烯材料的特性,未來在智能手機散熱膜、鋰電池、半導體等應用的龐大商機,三星、樂金、Google、IBM、華為等國際科技大廠,早都砸下重金投入石墨烯技術研發;同時也在產品線內大量應用石墨烯散熱膜,將之安裝在手機內部的電路板,幫助處理器散熱,導熱到外面的機殼。

2015 年 10 月,華為宣布與英國曼徹斯特大學合作研究石墨烯應用。華為創辦人任正非指出,現在矽的制程極限是 7 納米,已接近臨界點,未來 10 至 20 年內將爆發一場技術革命,未來最大的顛覆事件,就是石墨烯取代矽的時代來臨。石墨烯材料的獨特性,也讓美國、中國、韓國、日本、馬來西亞及歐盟紛紛挹注龐大資金展開相關研究與技術布局,其中,中國《新材料產業十二五發展規畫》中,已將石墨烯做為前線新材料重點發展之一;并在 2015 年底將石墨烯納入《新材料產業十三五發展規劃》中。

隨著石墨烯價格下探,也將延伸至更多元化應用。分析人士認為,等到石墨烯每公斤降至150 美元,在抗腐蝕涂料的市場接受度將大增;若降至每公斤120 美元,則可能提高在超級電容的市場能見度;至每公斤100 美元時,將有助擴大在電子元件的市場滲透率。但現階段要能進一步擴大石墨烯應用,配方、表面改質(例如制作成片狀、卷曲或一朵花的形狀)將成關鍵。

 

石墨烯堪比材料領域的互聯網,與不同材料、技術結合起來能夠形成具備特殊性能、滿足特定應用的新型“材料”。如同“互聯網+”的發展趨勢,“石墨烯+”也有望成為未來材料領域發展的一大趨勢。但由于石墨烯研發歷史不超過10年,現在還處于產業化初期,規模化變革還未出現。我們建議要特別關注石墨烯產業化應用的技術路線,結合國內外研發、應用的實際情況做相應投資,并重點關注有望率先實現產業化應用的領域。石墨烯的發展可以分為早期、中期和遠景三個的階段,目前早期可預期的應用主要集中于鋰電池添加劑、超級電容電極材料、散熱材料、透明導電膜和金屬基復合材料等領域。石墨烯產業早期主要聚焦于學術研究和制備石墨烯,中期則強調工業化大規模制備石墨烯以及在下游的應用,遠期則更加注重石墨烯的多功能、更高效、低成本趨勢。目前,全球石墨烯產業正處于早期研究向中期應用轉變的階段。

2016年或將成為石墨烯產業化應用的關鍵年,前期石墨烯市場將突破50億。2014年我國從事石墨烯產業的企業已突破千家,石墨烯產業鏈市場規模達到233.3億元,產業化應用已在不斷推進。而根據我們對導電添加劑(8億)、超級電容器(2億)、電子設備散熱材料(36億)、透明導電膜以及軍工材料(1億)市場的估算,石墨烯前期市場空間在50億以上,未來導電添加劑市場將突破50億元,透明導電膜和軍工材料市場空間均在百億以上。石墨烯產業在我國未來發展中將扮演重要角色。目前石墨烯仍處于產業發展的初級階段,作為一種新興材料,石墨烯產業化的時間尚短,全球都幾乎處于同一起跑線,而中國走在世界前列。目前,決定競爭力的關鍵因素是技術儲備,擁有石墨烯核心技術的公司有望取得先機,從而成為未來石墨烯產業的領頭羊。

 

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