“万能材料”石墨烯 - EDA365电子工程师网

被誉为“21世纪的神奇材料”、“万能材料”，有业内人士如此评价石墨烯，“如果说20世纪是硅的世纪，那么，石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元，将给世界带来实质性的变化”。仅在集成电路行业，如果石墨烯能够取代1/10的硅，就将带来5000亿元以上的市场容量。 “万能”的石墨烯也因此成为全球各国研发的新宠，中韩日美德齐上阵。

　　近年来，石墨烯热度飙升，成为世界各国研究开发的对象。石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。直至2004年，英国物理学家成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，2010年英国物理学家也因该发现获得了诺贝尔物理学奖。

　　“万能材料” 优良性能引重视

　　据了解，“万能材料”石墨烯一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的碳材料，因强度最高、韧性最好、重量最轻等众多优良性能，自被发现以来受到极大关注。其独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能，可以广泛应用于锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、触摸屏、透明电极等领域，在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新兴领域都将带来革命性的技术进步。其潜在应用领域包括高速晶体管、透明电极、印刷电子、新型复合材料、超灵敏传感器、新型催化剂、基因测序、储能装置等。在未来5到10年会有很大的发展，在相关领域引发革命性的突破，带动价值数万亿美元的新兴产业链。

　　自石墨烯被发现以来，研究人士一致努力开发这种材料的商业用途，如替代晶硅应用在芯片领域，制造锂离子电池负极材料以及超级电容器，制造可弯曲触摸屏等。随着批量化生产和大尺寸难题逐步突破，石墨烯的产业化步伐正在加快，国内外相关机构的科研投入力度也在上升，市场关注度随之升温。

　　广泛应用研发全球多国齐上阵

　　2010年诺贝尔奖将石墨烯带入人们视线，目前欧盟已投入10亿欧元用于石墨烯的研究和产业化应用。2013年1月28日，欧盟委员会宣布将石墨烯和人脑工程两大科技入选“未来新兴旗舰技术项目”，并分别设立专项研发计划，每项计划将在未来10年内分别获得10亿欧元的经费。韩国和英国分别投入3.5亿美元、5000万英镑进行商业化。石墨烯材料逐渐引起了我国社会各界的广泛关注，各级政府也将石墨烯产业作为产业升级换代的突破口，纷纷成立石墨烯相关产业或联盟。与此同时，工业和信息化部等部门在加紧研究“十三五”新材料规划，出台时间有望在2015年下半年，石墨烯入选该规划已经基本落定。早在2012年，工信部发布《新材料产业“十二五”发展规划》，规划中的前沿新材料就包含石墨烯；科技部也明确表态将支持石墨烯的研究。

　　据不完全统计，2011年，我国首家石墨烯企业成立，目前企业数量已达到40余家。无锡市近日宣布，2015年石墨烯及相关产业规模将突破50亿元，2020年达到300亿元；宁波市计划3年内设立9000万元的财政资金项目，并在10年内打造千亿规模的产业特色群。2013年，中科院重庆研究院成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯，并以知识产权和技术出资的形式，与上海南江集团共同组建了重庆墨希科技有限公司，开发以石墨烯触摸屏、显示屏为代表的石墨烯薄膜原材料，推动石墨烯实现产业化。日前，重庆市研发的石墨烯手机预计今年将投放市场的新闻在国内引起广泛关注。石墨烯触摸屏与现有手机触摸屏材料相比，具备更好的透光度和柔性。据介绍，如果其他部件和材料也得到相应改进，手机、平板电脑上的显示屏未来就能实现可折叠弯曲，而不会对屏幕造成损害。

　　此外，重庆市有关单位正在推动成立重庆石墨烯研究院，为产业链下游开发石墨烯应用产品提供支持，加快推进石墨烯产业发展。

专利世界第一我国成立企业40余家

　　近年来，我国在石墨烯领域增长迅速，专利拥有量世界第一，在石墨烯商业化应用上全球还是处于领先地位。不少国内企业宣称掌握了石墨烯制备方法，已经开始规模化生产。作为世界上石墨资源储备量最大的国家，我国正努力在石墨烯生产和应用上寻求长远发展策略，随着石墨烯产业化的不断推进，国家针对该产业的政策有望再度加码。我国石墨烯领域研发起步较晚，但发展较快，有潜在优势和后发优势。

　　2013年7月13日，中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。同时，江苏、浙江、深圳、上海、山东、福建、辽宁、重庆、黑龙江与中科院等机构以多种形式协同创新，纷纷建立了产业技术联盟，促进了创新资源优化组合和创新产业化进程。另一方面，我国的石墨烯行业仍在量产摸索阶段，目前主要的制备方法有微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法；其中氧化石墨还原法由于制备成本相对较低，是目前主要制备方法。

　　据中国石墨烯产业技术战略联盟秘书长李义春介绍，目前石墨烯的研究总体上分两块：一是在传统锂电池上进行应用，目的是改进、提升锂电池的性能，这类电池不会产生颠覆性的影响；二是依据石墨烯制造一个新体系的电池，它是一个崭新系列的，在性能上是颠覆性的，称作“超级电池”。石墨烯超级电池的出现，可能彻底改变现有的充电问题。续航里程成倍增长，长途出行的里程焦虑可能彻底打破。

　　以西班牙的超级电池为例，1000公里的续航里程几乎接近北京到上海的直线距离，远超出传统汽车一箱油的行驶距离。石墨烯充电速度提升，可以减少充电时间，宏观上可以大范围减少充电站和充电桩的需求。以目前全球领先地位的特斯拉Model S 85为例，其通过大功率的超级充电站充电，也要80分钟才能充满，车主等充电的时间仍然是一次煎熬。“超级电池10分钟的充电时间，比加一次油时间长一点点，但续航里程比一箱油要长很多，消费者再也不会抱怨。”一位汽车业内人士分析称。

　　不过，据石墨烯电池研究人士透露，目前国内主要研究的是石墨烯运用到锂电池上，而非全新体系的“超级电池”，所以国内技术和超级电池有一定差距。国家相关部门对此很重视，2015年出台的“十三五”新材料规划可能将石墨烯纳入其中。

　　石墨烯电池研发日韩英德谁与争锋？

　　随着时间的推移，石墨烯越来越多的优良性能被开发出来，据称在众多领域都有着极为广泛的应用，也因此被称为具有革命性意义的新材料，世界上多个国家也在加快石墨烯材料方面的运用。据了解，全球有200多家公司涉及石墨烯的相关研究和开发，其中不乏IBM、英特尔、美国晟碟以及三星等科技巨头。而在产品专利数量上，中国和美国遥遥领先。

　　IBM公司的研究人员通过在碳化硅晶圆的硅面上种植石墨烯，成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路，向研制出石墨烯计算机芯片前进了一步。利用石墨烯研制出新型的场效应晶体管，其能将开关频率提高1000多倍，可广泛应用于未来的电子设备和计算机中，使之功能更强，性能更优异。

　　而锂电池传统制造强国日本和韩国，在石墨烯电池上他们也正在抢夺技术先机，韩国科学家早在去年11月就宣布，最新发明的石墨烯超级手机电池，可存储与传统电池等量的电量，但充电时间只需16秒。而日本在电池技术上实行两条路线并行，除了发展普通意义上的锂电池，他们还研究燃料电池技术，用特制的石墨烯材料替代铂作为催化剂，来制造燃料电池车所需的氢燃料，获得突破。发现石墨烯的英国也有很大的突破，同时在欧洲德国石墨烯产业的发展也不容小觑。

德国科学基金会(DFG)2009年7月宣布开展“石墨烯”新兴前沿研究项目，项目时间跨度为6年。该项目的目的是提高对石墨烯性能的理解和操控，以建立新型的石墨烯基的电子产品。2010年DFG启动了优先研究项目-石墨烯，包括38个研究项目，前3年预算经费为1060万欧元。德国于2009年由科学基金会(DFG)开展石墨烯新兴前沿研究项目。在2012年10月，德国慕尼黑工业大学的科学家成功制成石墨烯光电探测器，石墨烯制成的光电探测器能非常快速地处理和引导光电信号。

　　特斯拉公司广受好评的Model S电动汽车这款电动汽车的电池使用的材料便是石墨烯。2014年12月26日，美国电动汽车制造商特斯拉发布了两年前停产的第一代车型Roadster的升级版，续航里程达到644公里，高出原版60%。电池技术的进步，提升了特斯拉产品的性能。新改进的18650型锂电池的容量大幅度加大，6831节电池组数量没有增加，但电池组的总容量从53kWh提高到了70kWh。此前Roadster的续航里程是393公里。特斯拉CEO马斯克称，特斯拉的高性能石墨烯电池，相比目前的容量增长近70%。

　　随着特斯拉石墨烯电池研发取得较大进展，成本与充电时间将可能大幅下降，国内越来越多公司想挤进石墨烯行业。而在未来，我们可期待的屏幕可折叠手机、平板电脑等电子产品，也将依赖石墨烯。

　　英国科学家发明石墨烯10年后，在电池上的应用获得巨大突破。12月初，西方媒体报道，西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发的石墨烯电池，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里。它被石墨烯研究者称做“超级电池”。西班牙的“超级电池”很快将像特斯拉一样应用于汽车上，据西方媒体报道，它的拥有者12月在德国两大汽车巨头的汽车上进行试验，并在2015年第一季度生产上市使用。