石墨烯行業(yè)深度解析

石墨烯-行業(yè)深度解析

石墨烯(Graphene)是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統(tǒng)稱(chēng)。于2004年問(wèn)世，其發(fā)現(xiàn)者英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德烈-海姆教授于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目錄1研究歷史2主要分類(lèi)3基本特性4主要應(yīng)用5發(fā)展前景5.1全球市場(chǎng)5.2中國(guó)方面6主要影響石墨烯(Graphene)是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統(tǒng)稱(chēng)。于2004年問(wèn)世，其發(fā)現(xiàn)者英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德烈-海姆教授于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。研究歷史石墨烯在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過(guò)5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。主要分類(lèi)單層石墨烯(Graphene)：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。雙層石墨烯(Bilayerordouble-layergraphene)：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等)堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。多層石墨烯(Few-layerormulti-layergraphene)：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。石墨烯(Graphenes)：是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統(tǒng)稱(chēng)?；咎匦允┦且阎氖郎献畋　⒆顖?jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光;導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過(guò)15000cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約1Ω·m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽(yáng)能電池。石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾。人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能，超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)沒(méi)有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了72%-81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會(huì)被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性。石墨烯獨(dú)特的性能與其電子能帶結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)以獨(dú)立碳原子為基，將周?chē)荚赢a(chǎn)生的勢(shì)作為微擾，可以用矩陣的方法計(jì)算出石墨烯的能級(jí)分布。在狄拉克點(diǎn)(DiracPoint)附近展開(kāi)，可得能量與波矢呈線(xiàn)性關(guān)系(類(lèi)似于光子的色散關(guān)系)，且在狄拉克點(diǎn)出現(xiàn)奇點(diǎn)(singularity)。這意味著在費(fèi)米面附近，石墨烯中電子的有效質(zhì)量為零，這也解釋了該材料獨(dú)特的電學(xué)等性質(zhì)。主要應(yīng)用隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。消費(fèi)電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來(lái)移動(dòng)設(shè)備顯示屏的發(fā)展趨勢(shì)。柔性顯示未來(lái)市場(chǎng)廣闊，作為基礎(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。有數(shù)據(jù)顯示2013年全球?qū)κ謾C(jī)觸摸屏的需求量大概在9.65億片。到2015年，平板電腦對(duì)大尺寸觸摸屏的需求也將達(dá)到2.3億片，為石墨烯的應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)。韓國(guó)三星公司的研究人員也已制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，相信大規(guī)模商用指日可待。另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。之前美國(guó)麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽(yáng)能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，石墨烯超級(jí)電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車(chē)電池的容量不足以及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用鋪就了道路。由于高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也是極為突出的。前不久美國(guó)NASA開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好的對(duì)地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測(cè)。而石墨烯在超輕型飛機(jī)材料等潛在應(yīng)用上也將發(fā)揮更重要的作用.發(fā)展前景全球市場(chǎng)美國(guó)俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰電池在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為，未來(lái)一分鐘快充石墨烯電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來(lái)電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的革新。2013年初，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員就開(kāi)發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級(jí)電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機(jī)甚至汽車(chē)充電，同時(shí)可用于制造體積較小的器件。微型石墨烯超級(jí)電容技術(shù)突破可以說(shuō)是給電池帶來(lái)了革命性發(fā)展。當(dāng)前主要制造微型電容器的方法是平板印刷技術(shù)，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用。以后只需要常見(jiàn)的DVD刻錄機(jī)，甚至是在家里，利用廉價(jià)材料30分鐘就可以在一個(gè)光盤(pán)上制造100多個(gè)微型石墨烯超級(jí)電容。正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國(guó)家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專(zhuān)利。歐盟委員會(huì)將石墨烯作為“未來(lái)新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，未來(lái)10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費(fèi)。英國(guó)政府也投資建立國(guó)家石墨烯研究所(NGI)，力圖使這種材料在未來(lái)幾十年里可以從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線(xiàn)和市場(chǎng)。2015年1月，西班牙Graphenano公司(一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車(chē)最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。Graphenano公司計(jì)劃于2015年將此電池投入生產(chǎn)，并且計(jì)劃與德國(guó)四大汽車(chē)公司中的兩家(現(xiàn)在還不方便透露公司名稱(chēng))將在本月和電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)。[2]中國(guó)方面中國(guó)在石墨烯研究上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國(guó)儲(chǔ)能豐富，價(jià)格低廉。另外，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。而我國(guó)最新的研究成果已成功突破這兩大難題，制造成本已從5000元/克降至3元/克，解決了這種材料的量產(chǎn)難題。利用化學(xué)氣相沉積法成功制造出了國(guó)內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院的研究人員在展示單層石墨烯產(chǎn)品的超強(qiáng)透光性和柔性。中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟率領(lǐng)貝特瑞、正泰集團(tuán)、常州第六元素、億陽(yáng)集團(tuán)等四家上市公司的代表參加了西班牙的石墨烯會(huì)議，并分別與意大利、瑞典代表團(tuán)簽訂了深度戰(zhàn)略合作協(xié)議，為“石墨烯全球并購(gòu)，中國(guó)整合”戰(zhàn)略打響了第一槍。此外，3月初全球首批3萬(wàn)部量產(chǎn)石墨烯手機(jī)在重慶發(fā)布，開(kāi)啟了石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新時(shí)代。石墨烯入選“十三五”新材料規(guī)劃已經(jīng)基本落定，預(yù)計(jì)2015年將成為中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)爆發(fā)元年。[3]2014年3月20日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛課題組與清華大學(xué)和中科院金屬研究所相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作，成功研制出高導(dǎo)熱石墨烯/炭纖維柔性復(fù)合薄膜，其厚度在10~200μm之間可控，室溫面向熱導(dǎo)率高達(dá)977W/m·K，拉伸強(qiáng)度超過(guò)15MPa。[4]2014年11月26日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳恒安教授、王奉超特任副研究員與安德烈-海姆教授課題組及荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)研究人員合作，在石墨烯等類(lèi)膜材料輸運(yùn)特性研究方面首次發(fā)現(xiàn)，石墨烯可以作為良好的“質(zhì)子傳導(dǎo)膜”，國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》在線(xiàn)發(fā)表了這一研究成果。2015年03月02日，全球首批3萬(wàn)部石墨烯手機(jī)在渝發(fā)布，該款手機(jī)采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜，可接受官方預(yù)定，16G售價(jià)2499元。其核心技術(shù)由中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院和中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開(kāi)發(fā)。[5]2015年5月18日，國(guó)家金融信息中心指數(shù)研究院在江蘇省常州市發(fā)布了全球首個(gè)石墨烯指數(shù)。指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，全球石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展實(shí)力排名前三位的國(guó)家分別是美國(guó)、日本和中國(guó)。[6]2015年5月，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院周震教授課題組發(fā)現(xiàn)一種可呼吸二氧化碳電池。這種電池以石墨烯用作鋰二氧化碳電池的空氣電極，以金屬鋰作負(fù)極，吸收空氣中的二氧化碳釋放能量。[7]2015年6月，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授和物理學(xué)院田建國(guó)教授的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)3