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石墨烯:科技革命还是商家噱头?
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石墨烯:科技革命还是商家噱头?

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  • 来源:
  • 发布时间:2021-08-05 14:27

石墨烯:科技革命还是商家噱头?

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  华为本月宣布在锂电池领域实现重大突破,推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。

  华为近年来对石墨烯的重金投入,让这种新型纳米材料成为国人关注的热门科技议题。华为总裁任正非曾自信地表示,未来10-20年石墨烯将引发一场技术革命,成为“彻底改变21世纪”的“黑科技”。

  那么,石墨烯究竟是一种什么新材料?它真的可以改变未来吗?

  新材料界的“网红”

  石墨烯是一种只有一个原子层厚度的准二维材料。很久之前有物理学家预言,准二维晶体本身热力学性质不稳定,所以其不能单独存在。直到2004年,英国曼彻斯特大学物理学家从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人因此共获2010年诺贝尔物理学奖。

  石墨烯号称“新材料之王”,是一种二维蜂窝状纯碳材料,集众多特性于一身。它是目前最薄、最轻的材料,同时也是最强、最坚硬的材料。虽然石墨很软,但是单层的石墨烯材料甚至比金刚石还硬。我们所熟知的金刚石导热性很好,热导率在2000W/mK(导热系数)左右,而石墨烯的热导率达到5300W/mK。石墨烯还兼具柔性、透明等特性,而且只有质子能够穿透。这些优良的特性赋予了石墨烯材料极为广阔的应用前景,也是吸引全世界眼球的根本原因。

  尽管石墨烯在新闻端不断“刷屏”,真正能够发挥其特性的商业产品却迟迟不见踪影。

  华为宣布的“石墨烯助力的高温锂离子电池”,根据华为瓦特实验室首席科学家李阳兴的解释,高温电池中,石墨烯起到的作用是高效散热,而非电池的正极或负极材料。尽管这不是石墨烯电池,但据华为提供的信息,这款新电池的性能已可秒杀目前市面上的大部分锂电池。

  手机行业或被颠覆

  华为本月稍早时候在深圳发布的荣耀Magic手机,采用“石墨烯助力的高温锂离子电池”技术,官方宣传30分钟即可充满90%的电池。

  对于手机来说,石墨烯意义重大。如果手机芯片使用石墨烯制造,性能大幅提升的同时功耗将大幅下降;如果将石墨烯用于手机电池的两极,续航能力将是普通电池的十多倍;如果用石墨烯制作电容装置,几分钟就能完成智能手机充电;石墨烯具有透光、柔韧等特点,若能用在手机上,就能生产柔性屏幕手机、全透明手机。

  不仅仅是华为,三星、苹果、诺基亚在石墨烯领域激烈竞争已经愈演愈烈,诺基亚取得专利的最引人瞩目的一项应用就是使用石墨烯制作高性能超薄相机传感器。

  理想与现实差距大

  其实,对于石墨烯材料来说,理想与现实差距很大。理想的石墨烯具有完美的蜂窝状结构,而现实的石墨烯就像一件破衣服,由无数个石墨烯微片拼接而成。石墨烯上有很多缺陷,还有很多脏东西。因此,现实制备出来的石墨烯材料性能没有那么好,价值也没有那么高。

  企业的重金投入并没有使石墨烯实现真正产业化,国内企业中除了两家企业实现了应用于LED行业的石墨烯产品的小规模生产外,其余研究机构及企业均只能小批量生产,产品也主要用于研究机构的研究。

  国内石墨烯产业处于初级发展阶段,工艺水平不高、企业难以获利是阻碍石墨烯产业化发展的两大因素。

  工艺上来看,如何批量化地制备大面积、稳定性好、高质量的石墨烯是难点之一,目前整个行业仍处于产品研发阶段,只有少数企业能够大规模制备高质量石墨烯,行业层面的不良率影响了下游的应用推广。

  利润方面,石墨烯获取成本仍旧高企,而应用市场尚未完全打开,这使得石墨烯公司难以稳定获取利润,自然规模不显。未来这些企业需要整合好上下游产业链,降低成本并提高销售。

  众多国家投入研究

  今年年初,工信部、发改委和科技部等三部委发布了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,欲在2020年形成完善的石墨烯产业体系,实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化,在多领域实现规模化应用。

  虽然我国在石墨烯研究上拥有储量丰富、政策支持的双重优势,但是作为石墨烯诞生的摇篮,英国在这一领域研究的底子更厚。在去年已有40多家企业与曼彻斯特大学的235名研究人员合作开展石墨烯和相关二维材料的研究,并在周边催生出上千家独立公司。

  美国、日本、韩国也在石墨烯的创新研究上处于领先。美国对石墨烯项目政策扶持主要集中在石墨烯晶体管、石墨烯超级电容器、锂离子电池用纳米石墨烯复合材料电极以及高灵敏测器的研发领域。国外的科技巨头们正在加快推进石墨烯的产业化和应用。IBM、三星等已经紧锣密鼓地开始了石墨烯的应用研究。

  IBM公司是在通道层采用石墨烯的高速晶体管开发方面最积极的企业之一,2008年制作出了第一个石墨烯晶体管,2011年研制出了石墨烯圆片制成的集成电路,向开发石墨烯计算机芯片迈进了一大步。

  产品化的竞争方面,韩国三星公司也处于领先地位。三星拥有有关石墨烯晶体管的工作方式和结构等9项核心专利,不少科研项目已经走在产品化的路上。

  诺基亚从2006年开始对石墨烯进行研究,于2011年5月参与了欧洲石墨烯旗舰项目,并于2013年2月获得该项目资助拨款13.5亿美元。诺基亚着力研发石墨烯光传感器。石墨烯对光线很敏感,所以用石墨烯做摄像头,其感光率将比普通摄像头高1000倍。

  技术专利诉讼或爆发

  最近,中国石墨烯产业技术创新战略联盟专利委员会主任刘兆平作了2016年专利工作报告。

  刘兆平说:“根据德文特的专利数据库,2015年4月份全球公开的石墨烯方面专利有1.4万件;截至12月6日上升到2.7万件,增长一倍。中国的专利在2015年4月份是8000件,到现在具体的数字是16844件,占了全世界的60%。”

  中国石墨烯领域专利数量多,问题也不能忽视。刘兆平说:“中国的石墨烯专利数量超过日本、韩国甚至美国,但是仔细分析专利的质量就会发现,中国申请的专利真正核心的不多,源头上的太少。中国的专利真正管用的太少。一旦有专利方面的纠纷,对中国非常不利,现在应该有应对的措施。”

  目前全国有将近20家石墨烯产业园,这个数字还在增长。无论是发达地区,还是偏远地区,都在建石墨烯产业园。面对这波“石墨烯淘金热”,北京大学化学与分子工程学院教授、中国科学院院士刘忠范指出,参照过往历史,在新材料研发和产业化的过程中不应失去理性,石墨烯行业真正壮大,需要时间的积淀,需要持续的投入,更需要耐心。

  (本版文字 深圳商报记者

  吴远方 整理报道)

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