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石墨烯材料

来源: 更新日期:2018-01-22 13:42:51

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热点描述:石墨烯主要是从鳞片状石墨中剥离出的具有单层碳原子结构的平面晶体材料,与其他石墨材料不同的是其碳原子是按照二维周期蜂窝状点阵排列。按照碳原子层数分类可分为:单层石墨烯(单个碳原子层)、多层石墨烯(2-10个碳原子层)及石墨烯微片(10<碳原子层<100um)。单层石墨烯是目前世界上已知最薄却最坚硬的纳米材料。

石墨烯在光学、力学、电学方面均有比其他材料更优异的性能。在力学方面,石墨烯是人类已知最强最高的物质,强度约为180GPa,是普通钢材的100倍。此外,石墨烯还具有良好的韧性,单位面积石墨烯片可承受4kg重量,可见其韧性相当于碳纤维的20倍;在热学方面,石墨烯自身的导热系数达到5300W/m•K,是室温下最好的导热材料,导热性能是碳纳米管的1.51倍,是铜的13倍;在电学方面,石墨烯是室温下最好的导电材料,由于其特殊的能带结构使常温下电子运动干扰小,传输质量大幅提高。石墨烯的电学性能突出表现在高载流子迁移率及高电流密度,其载流子迁移率达15000c㎡/V•s,相当于商用硅片的10倍。电流密度耐性为2亿A/c㎡,相当于铜的100倍。综合分析石墨烯的各类性能及特性,石墨烯在光学、力学、电学方面均具有比其他材料更优异的性能,因此被称为“新材料之王”。石墨烯在近两年成为新材料和新能源等高新领域关注的热点。

发展现状:目前全球对石墨烯性能关注点主要集中在其优良的光电特性,我国和其他重点石墨烯研究国家都制定了长远的发展目标,并将石墨烯产业化应用分为三个阶段。石墨烯在不同的产业化阶段具有不同的重点应用领域。第一阶段主要为低端石墨烯材料的产业化,此时石墨烯制备技术日趋成熟,石墨烯下游需求逐渐打开,石墨烯的量产化及石墨烯材料对传统材料的替代正在进程中。

随着下游应用市场的打开、中高端石墨烯材料研究技术的成熟,石墨烯作为优质材料的特性将得到更充分挖掘,产业化将会逐步进入第二阶段。石墨烯在制备和应用上不断有技术突破,主要集中于石墨烯的薄膜的制取和应用。

通过前两个阶段的应用的不断成熟,高端石墨烯制备技术已经普及,下游需求将会更加强烈,石墨烯产业化将进入第三阶段。这一阶段将会让石墨烯应用真正渗透到普通用户身边,不管是柔性屏幕手机,还是人体生物器件。

目前我国不管是石墨烯原料、产量、销量还是石墨烯专利技术都处于全球第一位,因此我国在发展石墨应用具备绝对的优势。我国石墨矿产储量为20亿吨,占全球石墨矿产资源总储量的72%,占全球总产量的80%。另外,我国石墨烯专利除去石墨烯制备相关专利以外,石墨烯专利主要集中在电子行业储能器件和复合材料领域,总占比73.5%。

与此同时,国家政策层面通过《中国制造2025》对石墨烯的未来十年的发展也规划出了具体路径。2016年,我国首个单层石墨烯量产化基地的落户厦门,计划在2020年可实现高质量石墨烯的产业化生产。石墨烯电子纸、柔性屏及石墨烯手机的问世,都预示着我国石墨烯已经踏入石墨烯产业化第一阶段。

综上所述,全球重点国家多数仍处于石墨烯产业化的应用第一阶段,我国凭借资源和专利优势也踏入这一阶段。结合我国石墨烯下游企业需求和我国石墨烯专利特点,目前在我国最可能实现也是最具有优势的石墨烯产业化应用领域是电子储能器件和石墨烯复合材料领域,其他领域的应用受到专利的限制还需要石墨烯中游研发继续深耕。

目前世界还处于石墨烯专利布局时期,下游应用需求不足是很正常的事情。中国虽然在石墨烯专利数量上位列世界第一位,但是企业参与主体和石墨烯应用技术多方面布局还需加强。国内企业虽然积极响应国家政策,但石墨烯下游产业链仍未形成,国内石墨烯应用处于第一阶段。随着国家政策导向影响,石墨烯的基本应用也将逐渐推进产业化应用,对于我国石墨烯产业在未来更深阶段应用的发展具有助推作用。

发展空间:综合分析石墨烯的各类性能,未来运用的领域将会十分广阔,主要集中在电子行业及化工行业,尤其是在电子行业的锂电池电极、触摸屏、超级电容领域和化工行业的涂层、保险、吸附、淡化领域等。

动力电池行业

目前动力电池的充放电性能和储能性能一直是制约新能源行业发展的主要障碍。石墨烯优异的电子迁移率性质和极低的电阻率使得其作为锂电池正负极材料或锂电池正负极导电剂,将有效改善锂电池电极循坏性能,提高充电速度和储能性能。

国内石墨烯导电浆料作为锂电池正负极包覆材料技术比较成熟,动力电池企业已经开始石墨烯浆料的使用,具备一定的市场空间。但石墨烯材料作为电池电极的技术仍然不成熟,因此目前石墨烯结合动力锂电池的应用的潜在爆发点在于石墨烯导电剂应用。

复合材料行业

石墨烯本身的特性通过与其他材料复合,可以改变原有材料的特性,可发挥原有材料更大的优势。

我国石墨烯在复合材料方面应用技术已经较为成熟,基底材料通过和石墨烯复合进行改性,表现出更优异的性能。石墨烯复合材料技术目前已经走向应用,预计其在橡塑、半/导电材料和防腐涂料方面的应用在2017年市场空间将达到6亿元。不过,随着石墨烯应用渗透率的上升和石墨烯在复合材料中的用量影响,在未来三年预计石墨烯复合材料应用市场规模将超过50亿元,因此石墨烯复合材料应用是近期石墨烯产业化潜在爆发领域。

触摸屏应用

石墨烯触控屏产品已出,将部分取代ITO触控屏。当前市场中的触控产品以ITO(氧化铟锡)为主。但与之相比,石墨烯触控屏的性能更出色,且具有柔韧和宽温度适应性两大特点。当前,国内外均已有石墨烯触控屏研发成功并投产,韩国三星公司和成均馆大学在研究制造了63厘米宽的纯石墨烯,并用该石墨烯制造了柔性触控屏;国内二维碳素、第六元素均已经有传感器、触控组件量产。

目前,石墨烯触控屏的技术已经相对成熟,2016年我国自研的首款石墨烯手机问世,其可以任意弯曲,不仅解决传统手机ITO屏刚性易碎的问题,并且石墨烯透光性很强因此显示效果也比传统ITO屏更清晰,另外重量只有200克。但是目前石墨烯制备量产成本是制约该技术发展的其中一个因素。因此,随着石墨烯工业化量产成本进一步降低,同时柔性屏幕需求以及应用场景的提高,石墨烯触控组件有可能在未来替代所有现有传统ITO触控屏,预计在未来将达到千亿以上的市场空间。

超级电容器

超级电容器是一种能量存储和功率补偿的器件,在混合动力、移动通讯、应急电源、国防科技等领域有广阔的应用前景。石墨烯是一种新型的碳材料,电导率高、比表面积大、且化学结构稳定,表面更有效的释放,有利于电子的渗透和运输,因此如能实现石墨烯规模化制备并降低成本,相对于其他碳电极材料石墨烯更适合作为超级电容器电极材料。

我国传统超级电容器市场规模巨大,即使未来石墨烯电容器在其中仅占比10%,预计未来石墨烯粉体用于石墨烯超级电容器电极的市场规模也将超过10亿元。2014年,我国已经可以生产石墨烯超级电容器,该电容器单体储电量达到3000法拉。2016年,我国推出了超级电容器公交车,每次充电仅需3分钟,最多可行驶20公里。由于蓄电时间短和放电过快,导致超级电容器在动力电池方向的使用还不是一个稳定的产品,如果能解决超级电容器的能量密度问题,超级电容器将有可能出色的替代市面上所有的动力电池,石墨烯超级电容器将至少是个百亿级别市场规模。

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