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作为新材料的重中之重,石墨烯面临着难得的发展机遇,现在正处于产业化应用的前夜,与新能源结合一定有光明的未来
文／牛禄青
能源问题是21世纪人类面临的最严峻的问题之一,发展新能源已成为全球共识.石墨烯是人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料,被誉为“新材料之王”.当石墨烯遇到新能源,将碰撞出什么样的火花？
3月29日,由中关村石墨烯产业联盟主办、宝泰隆新材料股份有限公司冠名支持的 “石墨烯十新能源”专题研讨会在北京召开.此次研讨会由中科院院士、北京大学教授刘忠范担任大会主席,吸引了近300名来自全国各地的石墨烯原材料企业、储能电池企业以及高校和研究院所的代表参加. “李克强总理在今年的政府工作报告中提及要全面实施战略性新兴产业发展规划,加快新材料产业发展,鼓励使用清洁能源汽车.对于石墨烯行业来讲,这无疑是重大的利好消息.
“作为新材料的重中之重,石墨烯面临着难得的发展机遇,现在正处于产业化应用的前夜,与新能源结合一定有光明的未来.”在“石墨烯+新能源”专题研讨会上,中科院院土、北京大学教授刘忠范郑重表示.可穿戴设备有望大放异彩
作为神奇的材料,石墨烯将是未来电池的关键,也可能重新塑造可穿戴设备和各种传感器.石墨烯会让可
穿戴设备迎来革命吗？不是没可能.
石墨烯是一种超薄的碳晶体,仅有一个原子厚,同时其强度是的钢铁的200倍,并拥有极强的柔韧性,另外它还是极好的导热、导电体.石墨烯的优越性能非常适合穿戴设备.
目前可穿戴设备面对的一大挑战便是简便性和佩戴性.大多数智能手表仍硕大无比,手环也不够漂亮,更不用说外星人般的智能服装了.此外,在穿戴设备中使用的材料,或者像银纳米材料太贵,或者导电性不够高不足以应用于辐射,比如导电聚合物.
而石墨烯则可以改变这一切.凭借其超薄、柔性；坚固的特色,可穿戴设备无疑有更多设计研发空间,让可穿戴设备变得更加小巧、灵活、耐用、美观并适合穿戴.石墨烯导电油墨能以非常廉价的大规模生产方式打印在衣物、纸张等不同材料上.
石墨烯还是一种高效的超级导体,这意味着它可以应用在电池领域.事实上,近年来关于石墨烯电池的研究一直在进行中,科学家们的终极目标是开发出低成本、高稳定、轻量级、电池寿命为锂电池20倍的石墨烯电池,应用在智能手机及其他移动设备上.可以想象,石墨烯电池能够解决目前智能手表、智能手环续航力过短的问题,这也将极大改善可穿戴设备的使用体验.
在“石墨烯+新能源”专题研讨会上,北京石墨烯研究院执行院长魏迪做了题为《石墨烯在智能可穿戴能源器件中的应用》,详细介绍了用于可穿戴技术的单分子石墨烯电池、基于氧化石墨烯的打印电池、基于石墨烯墨水的电池等最新研究成果.魏迪博士指出,可穿戴能源器件的首要要求是安全性和能量密度,石墨烯优异的物理机械性能、高导热性、高散热性是可穿戴能源器件的良好载体.
英国曼彻斯特大学的研究者用实验证明,低价,柔软的无线通信器件如移动电话、健康状况传感器等,可以直接打印在衣服上甚至皮肤上.这一发表在《科学报告》上的突破性的成果显示,由于高导电性以及突出柔软性,石墨烯在可穿戴电子应用中非常重要.这一研究为智能的、无电源的健康监测、手机等联网设备与衣物融合,以及“智能皮肤”等应用方面开辟了新的道路——打印石墨烯传感器可以与其他二维材料集成贴到皮肤上用以监测温度,压力及湿度等各种信息.
在医院,患者在手臂上带上一个打印石墨烯的射频识别标签.这一标签与其他二维材料结合在一起,能够感应患者体温,血压等信息并自动传回读取器.医护人员能够无线监控患者状态,这将大大简化患者的护理.在疗养所,无需电源的打印石墨烯传感器能印在老年人衣服上.这些传感器可以感知收集老年人健康状况,并传回监测点从而被实时监测到,这将有助于实现远程医护并提高生活质量.
据报道,澳大利亚斯威本大学(Swinburne University)的研究人员借助3D打印的石墨烯薄片,发明了一种全新而应用广泛的能源存储技术,由于这种技术制造出来的电池可以既柔软又薄（像普通打印纸那样薄）,而且容量又大、充电快速,其在新能源汽车、可穿戴技术领域应用广泛.
牵手太赫兹取得重大突破
随着信息化战争和多样化军事斗争的加速来临,现代战争已经远离了刺J1见红、铁甲洪流的大战争场景,路边炸弹、自杀式袭击、细菌邮件和化武包裹造成的突然袭击令人防不胜防,城市争夺、反恐作战以及各类巧妙伪装的武器和敌人如同阵阵迷雾.能够有效这场战争迷雾的,当属太赫兹技术.
在“石墨烯+新能源”专题研讨会上,清华大学教授朱宏伟做了题为《石墨烯材料在光电应用中的关键作用》的报告.朱宏伟教授针对目前石墨烯在太阳能电池、光电等领域的应用研究做了详细报告.他表示,通过类比硅材料的发展史,石墨烯的发展可以从中借鉴很多经验,目前石墨烯在光伏、光电领域的应用与在锂电池等领域相比还很不成熟,主要原因是由于高质量、大面积的单层石墨烯薄膜规模化制备技术还不成熟,业界还需要努力.最后,他特别指出,石墨烯在太赫兹领域具有广阔的应用前景.
太赫兹技术的核心是太赫兹波,一种频率从o．1-10THZ、波长从3毫米到30微米、介于毫米波与红外光之间、频谱范围相当宽广的电磁波.太赫兹具有辐射小、透射性好、通信传输容量大等突出特点,在医学成像、雷达探测、电子对抗、电磁武器、通信技术、安全检查等国防和民用领域具有广泛的应用前景.例如,相比检查癌症的核磁共振,太赫兹不仅对人体没有伤害.精确度高,且成本大幅度下降.
正是由于太赫兹技术巨大的应用前景,美国、欧洲、俄罗斯、日本等在太赫兹技术研究上蜂拥而至,投入巨资.早在2004年,美国就将太赫兹技术列为改变世界的十大技术之一,启动太赫兹成像阵列技术研究,并在随后启动了太赫兹电子学研究计划,迅速推动了基于太赫兹的半导体技术、太赫兹高分辨率成像技术等方面的研究发展.目前,美国已经研制成功便携式远距离太赫兹成像雷达和放大器集成电路,将在小孔径通信、高分辨率成像、提高爆炸物探测能力等创新应用领域发挥重要作用.
深圳的石墨烯太赫兹芯片技术处于全球领先水平,并已写入今年的深圳市政府工作报告.据华讯方舟创始人吴光胜去年接受媒体采访时称,已成功做出世界第一块石墨烯太赫兹芯片, “不过,该款芯片成本非常高,芯片实验室成本要20万美元,未达到量产阶段.”
在卫星通信方面,华讯方舟正在规划建设一个拥有108颗遥感卫星的网络. “届时,可以实现o．5米范围、10分钟对地球整个扫描一遍.拿起手机,便可以看见全世界任何一个地方.”
吴光胜建议,放开卫星民用市场, “一些很小的国家都有很多同步卫星轨位.别人都把轨位申请了,中国到时再去申请,只能花巨额费用买别人的.”
从微波到毫米波到太赫兹,华讯方舟沿着这一通讯技术路线发展,目前已处于世界领先位置.吴光胜说, “我们2007年来到深圳,之后几年一直埋头做研发；2011年到2014年,厚积薄发,连续三年一直保持400%的高速度增长.”
此外,天津大学精密仪器与光电子工程学院、太赫兹研究中心张伟力教授团队在石墨烯太赫兹波调制的研究中也取得了突破性进展,即采用石墨烯—硅的复合结构,在低功率连续激光的激励下,利用极低的电压（o .1-4伏）即可实现对太赫兹信号的大幅度调制,其调制深度高达83%,带宽覆盖了o．4-2TH2范围.在此基础上研制的太赫兹集成化器件,实现了对太赫兹波的正向偏压导通、负向偏压截止的光学“二极管”效应.该研究成果为太赫兹二维材料和器件的发展奠定了重要基础,在宽带太赫兹波调制器、太赫兹波整流、太赫兹波通信等领域有十分重要的应用前景.
据中国科学院网站的信息显示,今年年初,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院纳米器件与应用重点实验室秦华团队与中国电子科技集团有限公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室合作,成功获得了高灵敏度石墨烯( Graphene)太赫兹探测器,灵敏度达到同类石墨烯探测器的最好水平,该结果近期发表在碳材料杂志Carbon(116, 760-765 (2017))上.
储能电池器件产业化尚需努力
锂离子电池的续航问题成为制约新能源汽车推广普及的软肋,当石墨烯出现后,业界对石墨烯提升动力电池性能充满期待.去年至今,东旭光电、华为、航材院和碳世纪等公司相继发布石墨烯电池产品,在行业内引起了很大关注和争议.
“到目前为止,我们已经布局完成从石墨烯一石墨烯包覆的正负材料一石墨烯基离子电池一新能源的汽车的完整产业链.”东旭光电副总经理王忠辉在论坛上首先向与会嘉宾介绍了东旭光电的石墨烯在新能源产业化应用方面的基本情况.
2016年,东旭光电宣布研发成功并小规模生产了“烯王”石墨烯基锂离子电池产品,引起业界一片惊呼和争议.近期,东旭光电拟于香港发布“烯王二代”,据称进行了升级.
除了石墨烯基锂离子电池,3月20日,东旭光电宣布将以发行股份及支付方式30亿元购买上海申龙客车100%股权,这标志着东旭光电正式进入新能源汽车领域,石墨烯产业化应用空间进一步拓展.
现在石墨烯在锂离子电池中的应用是全球热点,国内外很多科研机构和企业都在涉足这个领域.石墨烯应用于电池主要有两种方式,第一种是作为导电添加剂,在锂电池工厂已经有了大量应用,另外就是用石墨烯包覆正极材料.随着技术的成熟和工艺的完善,石墨烯将大幅提升锂离子电池的性能,进而极大推动新能源汽车产业的发展.
为什么石墨烯可以提升锂电池的性能,但产业化的推进又这么难呢？王忠辉表示,其实从产业化的角度来讲,必须要评估石墨烯电池性能的提升到底有多大.如果电池性能只是提升了52、102,下游企业愿不愿意去为了追求这5z、10%或者很小的提升而去尝试着用石墨烯？反之,如果石墨烯对性能的突破甚至是颠覆性的,那么下游企业的积极性肯定会非常高.所以,性能提升多少是一个非常重要的原因,我们还需要在技术的突破上做大量的工作.第二,真正想实现产业化,还面临成本、、工艺、设备等问题.只有这些问题都能够解决之后,整个石墨烯和新能源,尤其是和锂电池的产业化推进才能大步流星地走起来.
在谈到对“石墨烯+新能源”的理解时,王忠辉表示,石墨烯与新能源的结合应用前景广阔,我们对“石畢烯十新能源’的未来充满信心.石墨烯和锂离子电池、超级电容器的结合是当前最热点的结合.同时,石墨烯在太阳能电池领域提升光电转化效率的应用、石墨烯涂料在风力发电、潮汐能发电领域发电机组的应用、石墨烯在电热产品领域的应用、在LED灯领域应用等都属于石墨烯在新能源领域的应用.
中航发北京航空材料研究院高级工程师燕绍九介绍了航材院在石墨烯锂离子电池和锂硫电池的研究成果.他表示,任何一个成熟的产品都要经历一个过程,首先有材料、工艺,再有装备,最终才能形成产品,产品到商品又有一大步,石墨烯本身是一种材料,作为材料就需要有很多人默默做很多基础性的工作.新能源领域的很多产品比如锂电池已经是成熟的商业化的产品,石墨烯作为一种新材料.要和成熟的工业化的商品对接,这就需要有比较好的体制和方式来实现.锂电池作为成熟的商品,在不同的应用领域,也不是一个最终的产品,还要符合其他各个行业的一些标准.石墨烯材料加进去,是不是很多东西需要重新去验证？
宁波中车新能源超级电容研究所副所长郑超介绍了中车集团石墨烯基超级电容器产品的研发及应用情况.他表示,从研发角度来看,石墨烯原材料是上游企业提供的,从未来发展趋势来说,还是要以下游应用为主,以市场为导向,引导开发.因为石墨烯并不是万能的,上游企业可能觉得我做的这个材料很厉害,哪里都能用,锂离子电池能用,超级电容器也能用.但是石墨烯在锂电池和超级电容器里起的作用是不一样的.在锂电池中,石墨烯做导电剂,锂电池的循环寿命一般在1500次左右,对于杂质金属元素的含量也没有那么苛刻的要求.但是,超级电容器要求有几十万甚至上百万次的循环寿命,对于石墨烯的要求肯定不同.所以,石墨烯要进入产业链下游,以企业为导向,以应用产品为导向.下游应用企业可以牵头做一些标准,更好地推动石墨烯的应用产业化.
对于石墨烯对新能源的影响,郑超表示,一是正的影响,石墨烯材料之前,做超级电容器我们绕不过去的就是活性炭材料,但是活性炭材料的能量密度已经到了极限了.更关键一点,活性炭材料国内并没有国产化,基本还是掌握在日本和韩国手里,成本很高.所以,我们希望把石墨烯材料应用到超级电容器能够部分替代或者全部替代活性炭材料,这对于超级电容器整个产业来说是有战略性意义的,这是正面.
反的方面,我们做了四五年的研发工作,能量密度也只是做到十一点几,未来五年目标做到15瓦时／公斤.我们经常看到报道,说石墨烯充一次电,能跑四五十公里,上百公里.石墨烯是很好的储能材料,但是不要夸大它的作用,还是要一步一步踏实地推进,这个过程不是一蹴而就的,需要上下游产业一起,下游企业制定一些标准和要求,石墨烯上游进行改进,形成一个很好的产业链结构,共同推动发展.
中科院国家纳米中心研究员智林杰介绍了石墨烯基杂化材料用于锂离子电池的研究现状,他表示,石墨烯在新能源领域有很大的机遇,但是也同样面临很大的挑战,石墨烯行业目前最重要的是要避免跟风炒作,踏实埋头苦干.银基烯碳高级研究员于灏介绍了烯碳新材在石墨烯和锂离子动力电池领域的发展情况,以及集团公司在新能源汽车领域的战略布局.
近几年,北京、天津、河北等地雾霾越来越严重,引起了国内外的广泛关注.为了治理雾霾,能源结构和交通结构的调整势在必行,这也为石墨烯提供了广阔的应用空间.一方面通过大力发展新能源汽车来减少尾气排放；另一方面,锅炉的燃煤,以及农村取暖散煤的燃烧,也是造成空气污染非常重要的原因.国家在这种背景下提出了“煤改电”的战略,在这个战略背景下,利用石墨烯电热性质的一些电取暖产品,也是新能源的具体表现.
论坛上,宝泰隆石墨烯技术总监古月文志介绍了碳材料分散技术、石墨烯电加热膜的研发历程及其在“煤改电”领域应用的重要意义.据了解,宝泰隆于2016年12月建成投产国内首套自动化、连续式100吨级工业化制备石墨烯生产线.
公开资料显示,东旭光电积累了石墨烯电热膜技术,研发了如电热膜、电热地板、电热壁画、电热暖气等应用产品.此外,杭州熊爸爸推出了壁挂式石墨烯取暖器,北京绿能嘉业新能源公司研制出“画暖家”石墨烯暖画系列产品.
刘忠范院士认为,未来石墨烯产业一定是个大蛋糕,但发展需要工匠精神.目前,石墨烯产业基础研究处于热潮,大规模应用研究还刚刚走出实验室,只有坚定信心,持续推进,一定有美好的未来.
为积极推动石墨烯与下游应用结合,加速已接近成熟的石墨烯技术实现产业化,从更高层面布局石墨烯产业发展,中关村石墨烯产业联盟2017年将推出“烯望跨界系列’专题研讨会,重点探讨石墨烯在关键应用领域中存在的问题、瓶颈及解决途径.本次“石墨烯十新能源”研讨会是“烯望跨界系列”的首场活动,接下来还将举办石墨烯十交通、石墨烯十健康、石墨烯十智能、石墨烯+环境等专题研讨会.
“未来联盟将充分发挥纽带作用,将政府、资本、企业、科研院所有机地联系在一起,应用激活产业链,通过形式多样的活动,推动跨界合作交流、技术协同创新,石墨烯上下游应用脱节的难题,推动产业发展进步.”中关村石墨烯产业联盟秘书长周静表示.
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