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石墨烯:接棒硅时代?
2015-04-15

石墨烯是21世纪最受期待的神奇材料,一经问世便受到科学界的广泛关注。而真正把它带入人们视野的是一则有关超级电池的消息。充电时间不到8分钟,续航能力高达1000公里,如果这款由石墨烯聚合材料电池提供电力的电动汽车实现量产,对传统汽车行业无疑是毁灭性的打击。

石墨烯的神奇并不局限于新型电池,华为创始人任正非曾说,未来1020年内会爆发一场技术革命颠覆时代,石墨烯时代将取代硅时代。作为新一轮材料革命的种子选手,各国均致力研发以求抢占先机。一股石墨烯研究热潮在全世界范围悄然升温,其商业化过程中存在的问题也层出不穷地浮出水面。

石墨烯仅是石墨烯

曼彻斯特大学副校长ColinBailey称:石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用,从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。科学家甚至预言其将彻底改变21世纪。这里提到的石墨烯,究竟是何方神圣?它真的能带来颠覆吗?

石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料。它的透光率高达97.7%,几乎完全透明;导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石;常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s,高于硅晶体;而电阻率只有10-8Ω·m,比银更低,为世上电阻率最小的材料。如此看来石墨烯可谓实至名归。

201411月,由中国国家发改委、财政部和工信部发布的《关键材料升级换代工程实施方案》将石墨烯列为20种重点新材料之一,而科学界正致力于揭开石墨烯未来潜在应用的冰山一角。浙江大学高超教授课题组近期发现一种新型、廉价、无毒的铁系氧化剂,它将在一小时内完成单层氧化石墨烯的制备,有望在工业上大规模应用。同时,石墨烯在盐水中的自发电现象被科学家高度重视,它为绿色发电提供了无限可能。

石墨烯最有可能在新能源电池、电子设备和航空航天领域实现商业化应用,基于目前已有的研究成果,中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春做出如此预测。他同时表示:“2015年将成为中国石墨烯产业爆发的元年,今年以石墨烯为添加剂的锂电池有望最早实现产业化生产。

李义春将我国石墨烯电池的研究分为两部分:在传统锂电池上进行应用以及依据石墨烯制造一个新体系的电池。石墨烯超级电池的成功研发,克服了电池产业的发展瓶颈,解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间过长的问题,若能批量生产,则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。而美国麻省理工学院成功研制的表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,为光伏产业的生存提供了出路。

同时,石墨烯在电子领域也大显神威。备受瞩目的可弯曲屏幕或将成为未来移动设备显示屏的发展趋势,届时作为基础材料的石墨烯将前途无量。有数据显示2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片。到2015年,平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片,这为石墨烯的应用提供了广阔的市场。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏,我国重庆墨烯科技有限公司更是先其他国家一步实现石墨烯手机的量产。

石墨烯在航天军工领域的应用优势也极为突出,它的高导电性、高强度、超轻薄等特性弥补了传统材料的缺陷。美国NASA已开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。同时,石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。

石墨烯不只是石墨烯

正是看到了石墨烯的应用前景,许多国家纷纷成立石墨烯相关技术研发中心,尝试使石墨烯商业化,进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用产权。欧盟委员会将石墨烯作为未来新兴旗舰技术项目,设立专项研发计划,将在10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI),力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。

目前全球已有超过200个机构和1000多名研究人员从事石墨烯技术的开发和研究,其中不乏三星、IBM等科技巨头,也有中国的新兴科技企业。经过几年发展,我国石墨烯产业基本形成以江苏省为聚合区,其它多地碎片化存在的产业格局。其中,仅常州市就有石墨烯原料制备及应用领域企业33家,高新技术企业16家。常州二维碳素科技有限公司于2013年建成国内首条年产3万平方米石墨烯透明导电薄膜生产线,成为全球首家拥有独立知识产权、率先实现石墨烯手机触摸屏生产的企业。而常州第六元素材料科技股份有限公司2013年开发出国内首条大规模、全自动粉体石墨烯生产线,在提高产能的同时大大降低石墨烯价格,让石墨烯大规模工业化应用成为可能。

产业发展亮点频现的同时,也折射出产业泡沫化的隐忧。石墨烯巨大的商业价值激起了政企的投资热情,以致大量资金迅速涌入石墨烯领域,行业规模空前膨胀。中科院院士刘忠范认为,国内的石墨烯研究存在太多急功近利的行为。在巨大发展前景面前,谁都不愿放弃唾手可得的利益空间,一些与石墨烯毫无关联的草根企业甚至也改头换面加入研发大军。在石墨烯科研进展缓慢的当下,这种火热程度恐怕归根结底是资本炒作在作祟。这里也似乎折射着当年造船热和光伏热的缩影,有企业家的盲目,也有地方政府的GDP冲动。一窝蜂而上的结果必定是一窝蜂而下,刘忠范如是说。如果商业领域一味夸大其神奇之处,可能会导致石墨烯产业变成泡沫,一旦破裂,那么也许技术和工业的进展也无法拯救它。

石墨烯技术破解有方

中国石墨烯产业研究在各行各业均产生了一些实验室成果,不少研究成果已经开始触摸到了应用层面。但在光伏、微芯片等高端产业,还存在着由于技术门槛高、投入资金巨大、应用企业合作等问题,目前多数处于实验室阶段和计划阶段,无法实现产业化生产。正如李义春所说,石墨烯作为一个刚刚兴起、远不成熟的行业,虽是资本市场的热门概念,但上游强下游弱、重科研轻应用、噱头多实干少等现实已成为产业发展亟须突破的瓶颈。为此我国应引入合理的政策导向和行业标准,避免在国际竞争中先发而后至。

首先,精准扶持重点企业,建立良性引才体系。中国高纯度大面积、大批量制备石墨烯的工艺已经达到了世界领先水平,但基础理论研究、石墨烯的高端应用则进展缓慢。更值得关注的是我国有关石墨烯的专利数在世界名列前茅,但真正涉及核心技术的则为数寥寥,这与我国一窝蜂式的产业模式不谋而合。为此,应加大对重点企业的扶持力度,将重点从利益微薄的产业链上游向产业链下游转移。同时配备以良性引才制度,减少人才的流失,提高整体科研水平,促进石墨烯产业向更高层次迈进。

其次,将企业定位为研发主体,有效推进产研结合。当今世界石墨烯的主流研发主体皆根植于企业,如韩国的三星公司,引领产学研结合的多维格局。而在我国,石墨烯相关技术的研发主体仍然是大学和科研机构。这就造成虽科研成果众多但实际应用价值不高的研发现状。针对该现象,深圳清华大学研究院原院长冯冠平认为:可参考美国模式,在产业发展初期加大投入力度,政府推动引导资金向高科技资金、孵化器企业倾斜,利用企业的主体地位推动创新。让研发主体立足于企业,这将从根本上解决我国技术列车的脱节问题。

再次,细分行业标准。日前,石墨烯国家标准制定工作正式启动,将针对2014年批准立项的《石墨烯材料的名词术语与定义》等4项国家标准项目进行讨论,对石墨烯核心术语、材料定义、制备方法等方面进行界定。全国纳标委纳米材料分会秘书长戴石峰说:我们希望通过制定石墨烯国家标准,更好地引导和促进石墨烯产业健康有序发展,使这种具有卓越性能的新材料更好地在各个领域得到推广应用。届时,石墨烯产业将摆脱无标准的窘境,在规范产品的同时免除了石墨烯研发企业的后顾之忧。

最后,制定合理的环境预警方案。目前我国的石墨烯产业处于起步阶段,环境效应还未凸显,虽现在对它的环境影响下断言还为时太早但未雨绸缪仍是十分必要的。就如目前已实现量产的氧化石墨烯纳米颗粒,它在地表水里十分稳定且极易扩散,如发生污染后果将十分严重。趋利性容易让人们忽视潜在的环境风险,尽早制定合理的环境预警方案才是可持续发展之大计。