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石墨烯即將接棒硅時代?

發布時間: 2015-05-18 10:15:37    來源: 《能源評論》雜志 
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[摘要]作為新一輪材料革命的種子選手,各國均致力研發以求搶占先機。一股石墨烯研究熱潮在全世界范圍悄然升溫,其商業化過程中存在的問題也層出不窮地浮出水面。

 

  石墨烯是21世紀最受期待的“神奇材料”,一經問世便受到科學界的廣泛關注。而真正把它帶入人們視野的是一則有關“超級電池”的消息。充電時間不到8分鐘,續航能力高達1000公里,如果這款由石墨烯聚合材料電池提供電力的電動汽車實現量產,對傳統汽車行業無疑是毀滅性的打擊。

  石墨烯的“神奇”并不局限于新型電池,華為創始人任正非曾說,未來10~20年內會爆發一場技術革命顛覆時代,石墨烯時代將取代硅時代。作為新一輪材料革命的種子選手,各國均致力研發以求搶占先機。一股石墨烯研究熱潮在全世界范圍悄然升溫,其商業化過程中存在的問題也層出不窮地浮出水面。

  當“石墨烯”僅是石墨烯

  曼徹斯特大學副校長Colin Bailey稱:“石墨烯有可能徹底改變數量龐大的各種應用,從智能手機和超高速寬帶到藥物輸送和計算機芯片。”科學家甚至預言其將“徹底改變21世紀”。這里提到的石墨烯,究竟是何方神圣?它真的能帶來顛覆嗎?

  石墨烯是已知的最薄、最堅硬的納米材料。它的透光率高達97.7%,幾乎完全透明;導熱系數高達5300W/m·K,高于碳納米管和金剛石;常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s,高于硅晶體;而電阻率只有10-8Ω·m,比銀更低,為世上電阻率最小的材料。如此看來石墨烯可謂實至名歸。

  2014年11月,由中國國家發改委、財政部和工信部發布的《關鍵材料升級換代工程實施方案》將石墨烯列為20種重點新材料之一,而科學界正致力于揭開石墨烯未來潛在應用的冰山一角。浙江大學高超教授課題組近期發現一種新型、廉價、無毒的鐵系氧化劑,它將在一小時內完成單層氧化石墨烯的制備,有望在工業上大規模應用。同時,石墨烯在鹽水中的自發電現象被科學家高度重視,它為綠色發電提供了無限可能。

  “石墨烯最有可能在新能源電池、電子設備和航空航天領域實現商業化應用”,基于目前已有的研究成果,中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟秘書長李義春做出如此預測。他同時表示:“2015年將成為中國石墨烯產業爆發的元年,今年以石墨烯為添加劑的鋰電池有望最早實現產業化生產。”

  李義春將我國石墨烯電池的研究分為兩部分:在傳統鋰電池上進行應用以及依據石墨烯制造一個新體系的電池。石墨烯超級電池的成功研發,克服了電池產業的發展瓶頸,解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間過長的問題,若能批量生產,則將為電池產業乃至電動車產業帶來新的變革。而美國麻省理工學院成功研制的表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板,可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本,為光伏產業的生存提供了出路。

  同時,石墨烯在電子領域也大顯神威。備受矚目的可彎曲屏幕或將成為未來移動設備顯示屏的發展趨勢,屆時作為基礎材料的石墨烯將前途無量。有數據顯示2013年全球對手機觸摸屏的需求量大概在9.65億片。到2015年,平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達到2.3億片,這為石墨烯的應用提供了廣闊的市場。韓國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,我國重慶墨烯科技有限公司更是先其他國家一步實現石墨烯手機的量產。

  石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也極為突出,它的高導電性、高強度、超輕薄等特性彌補了傳統材料的缺陷。美國NASA已開發出應用于航天領域的石墨烯傳感器,能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。同時,石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發揮更重要的作用。

  當“石墨烯 ”不只是石墨烯

  正是看到了石墨烯的應用前景,許多國家紛紛成立石墨烯相關技術研發中心,嘗試使石墨烯商業化,進而在工業、技術和電子相關領域獲得潛在的應用產權。歐盟委員會將石墨烯作為“未來新興旗艦技術項目”,設立專項研發計劃,將在10年內撥出10億歐元經費。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所(NGI),力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實驗室進入生產線和市場。

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