牛祿青
作為新材料的重中之重,石墨烯面臨著難得的發(fā)展機(jī)遇,現(xiàn)在正處于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前夜,與新能源結(jié)合一定有光明的未來。
能源問題是21世紀(jì)人類面臨的最嚴(yán)峻的問題之一,發(fā)展新能源已成為全球共識(shí)。石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料,被譽(yù)為 “新材料之王”。當(dāng)石墨烯遇到新能源,將碰撞出什么樣的火花?
3月29日,由中關(guān)村石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦、寶泰隆新材料股份有限公司冠名支持的 “石墨烯+新能源”專題研討會(huì)在北京召開。此次研討會(huì)由中科院院士、北京大學(xué)教授劉忠范擔(dān)任大會(huì)主席,吸引了近300名來自全國各地的石墨烯原材料企業(yè)、儲(chǔ)能電池企業(yè)以及高校和研究院所的代表參加。
李克強(qiáng)總理在今年的政府工作報(bào)告中提及要全面實(shí)施戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,加快新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展,鼓勵(lì)使用清潔能源汽車。對于石墨烯行業(yè)來講,這無疑是重大的利好消息。
“作為新材料的重中之重,石墨烯面臨著難得的發(fā)展機(jī)遇,現(xiàn)在正處于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前夜,與新能源結(jié)合一定有光明的未來?!痹凇笆?新能源”專題研討會(huì)上,中科院院士、北京大學(xué)教授劉忠范鄭重表示。
可穿戴設(shè)備有望大放異彩
作為神奇的材料,石墨烯將是未來電池的關(guān)鍵,也可能重新塑造可穿戴設(shè)備和各種傳感器。石墨烯會(huì)讓可穿戴設(shè)備迎來革命嗎?不是沒可能。
石墨烯是一種超薄的碳晶體,僅有一個(gè)原子厚,同時(shí)其強(qiáng)度是的鋼鐵的200倍,并擁有極強(qiáng)的柔韌性,另外它還是極好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電體。石墨烯的優(yōu)越性能非常適合穿戴設(shè)備。
目前可穿戴設(shè)備面對的一大挑戰(zhàn)便是簡便性和佩戴性。大多數(shù)智能手表仍碩大無比,手環(huán)也不夠漂亮,更不用說外星人般的智能服裝了。此外,在穿戴設(shè)備中使用的材料,或者像銀納米材料太貴,或者導(dǎo)電性不夠高不足以應(yīng)用于輻射,比如導(dǎo)電聚合物。
而石墨烯則可以改變這一切。憑借其超薄、柔性、堅(jiān)固的特色,可穿戴設(shè)備無疑有更多設(shè)計(jì)研發(fā)空間,讓可穿戴設(shè)備變得更加小巧、靈活、耐用、美觀并適合穿戴。石墨烯導(dǎo)電油墨能以非常廉價(jià)的大規(guī)模生產(chǎn)方式打印在衣物、紙張等不同材料上。
石墨烯還是一種高效的超級(jí)導(dǎo)體,這意味著它可以應(yīng)用在電池領(lǐng)域。事實(shí)上,近年來關(guān)于石墨烯電池的研究一直在進(jìn)行中,科學(xué)家們的終極目標(biāo)是開發(fā)出低成本、高穩(wěn)定、輕量級(jí)、電池壽命為鋰電池20倍的石墨烯電池,應(yīng)用在智能手機(jī)及其他移動(dòng)設(shè)備上。可以想象,石墨烯電池能夠解決目前智能手表、智能手環(huán)續(xù)航力過短的問題,這也將極大改善可穿戴設(shè)備的使用體驗(yàn)。
在“石墨烯+新能源”專題研討會(huì)上,北京石墨烯研究院執(zhí)行院長魏迪做了題為《石墨烯在智能可穿戴能源器件中的應(yīng)用》,詳細(xì)介紹了用于可穿戴技術(shù)的單分子石墨烯電池、基于氧化石墨烯的打印電池、基于石墨烯墨水的電池等最新研究成果。魏迪博士指出,可穿戴能源器件的首要要求是安全性和能量密度,石墨烯優(yōu)異的物理機(jī)械性能、高導(dǎo)熱性、高散熱性是可穿戴能源器件的良好載體。
英國曼徹斯特大學(xué)的研究者用實(shí)驗(yàn)證明,低價(jià),柔軟的無線通信器件如移動(dòng)電話、健康狀況傳感器等,可以直接打印在衣服上甚至皮膚上。這一發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上的突破性的成果顯示,由于高導(dǎo)電性以及突出柔軟性,石墨烯在可穿戴電子應(yīng)用中非常重要。這一研究為智能的、無電源的健康監(jiān)測、手機(jī)等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與衣物融合,以及“智能皮膚”等應(yīng)用方面開辟了新的道路——打印石墨烯傳感器可以與其他二維材料集成貼到皮膚上用以監(jiān)測溫度,壓力及濕度等各種信息。
在醫(yī)院,患者在手臂上帶上一個(gè)打印石墨烯的射頻識(shí)別標(biāo)簽。這一標(biāo)簽與其他二維材料結(jié)合在一起,能夠感應(yīng)患者體溫,血壓等信息并自動(dòng)傳回讀取器。醫(yī)護(hù)人員能夠無線監(jiān)控患者狀態(tài),這將大大簡化患者的護(hù)理。在療養(yǎng)所,無需電源的打印石墨烯傳感器能印在老年人衣服上。這些傳感器可以感知收集老年人健康狀況,并傳回監(jiān)測點(diǎn)從而被實(shí)時(shí)監(jiān)測到,這將有助于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)護(hù)并提高生活質(zhì)量。
據(jù)報(bào)道,澳大利亞斯威本大學(xué)(Swinburne University)的研究人員借助3D打印的石墨烯薄片,發(fā)明了一種全新而應(yīng)用廣泛的能源存儲(chǔ)技術(shù),由于這種技術(shù)制造出來的電池可以既柔軟又?。ㄏ衿胀ù蛴〖埬菢颖。胰萘坑执?、充電快速,其在新能源汽車、可穿戴技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
牽手太赫茲取得重大突破
隨著信息化戰(zhàn)爭和多樣化軍事斗爭的加速來臨,現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)遠(yuǎn)離了刺刀見紅、鐵甲洪流的大戰(zhàn)爭場景,路邊炸彈、自殺式襲擊、細(xì)菌郵件和化武包裹造成的突然襲擊令人防不勝防,城市爭奪、反恐作戰(zhàn)以及各類巧妙偽裝的武器和敵人如同陣陣迷霧。能夠有效破解這場戰(zhàn)爭迷霧的,當(dāng)屬太赫茲技術(shù)。
在“石墨烯+新能源”專題研討會(huì)上,清華大學(xué)教授朱宏偉做了題為《石墨烯材料在光電應(yīng)用中的關(guān)鍵作用》的報(bào)告。朱宏偉教授針對目前石墨烯在太陽能電池、光電等領(lǐng)域的應(yīng)用研究做了詳細(xì)報(bào)告。他表示,通過類比硅材料的發(fā)展史,石墨烯的發(fā)展可以從中借鑒很多經(jīng)驗(yàn),目前石墨烯在光伏、光電領(lǐng)域的應(yīng)用與在鋰電池等領(lǐng)域相比還很不成熟,主要原因是由于高質(zhì)量、大面積的單層石墨烯薄膜規(guī)?;苽浼夹g(shù)還不成熟,業(yè)界還需要努力。最后,他特別指出,石墨烯在太赫茲領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
太赫茲技術(shù)的核心是太赫茲波,一種頻率從0.1-10THZ、波長從3毫米到30微米、介于毫米波與紅外光之間、頻譜范圍相當(dāng)寬廣的電磁波。太赫茲具有輻射小、透射性好、通信傳輸容量大等突出特點(diǎn),在醫(yī)學(xué)成像、雷達(dá)探測、電子對抗、電磁武器、通信技術(shù)、安全檢查等國防和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如,相比檢查癌癥的核磁共振,太赫茲不僅對人體沒有傷害,精確度高,且成本大幅度下降。
正是由于太赫茲技術(shù)巨大的應(yīng)用前景,美國、歐洲、俄羅斯、日本等在太赫茲技術(shù)研究上蜂擁而至,投入巨資。早在2004年,美國就將太赫茲技術(shù)列為改變世界的十大技術(shù)之一,啟動(dòng)太赫茲成像陣列技術(shù)研究,并在隨后啟動(dòng)了太赫茲電子學(xué)研究計(jì)劃,迅速推動(dòng)了基于太赫茲的半導(dǎo)體技術(shù)、太赫茲高分辨率成像技術(shù)等方面的研究發(fā)展。目前,美國已經(jīng)研制成功便攜式遠(yuǎn)距離太赫茲成像雷達(dá)和放大器集成電路,將在小孔徑通信、高分辨率成像、提高爆炸物探測能力等創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
深圳的石墨烯太赫茲芯片技術(shù)處于全球領(lǐng)先水平,并已寫入今年的深圳市政府工作報(bào)告。據(jù)華訊方舟創(chuàng)始人吳光勝去年接受媒體采訪時(shí)稱,已成功做出世界第一塊石墨烯太赫茲芯片,“不過,該款芯片成本非常高,芯片實(shí)驗(yàn)室成本要20萬美元,未達(dá)到量產(chǎn)階段?!?/p>
在衛(wèi)星通信方面,華訊方舟正在規(guī)劃建設(shè)一個(gè)擁有108顆遙感衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)?!皩脮r(shí),可以實(shí)現(xiàn)0.5米范圍、10分鐘對地球整個(gè)掃描一遍。拿起手機(jī),便可以看見全世界任何一個(gè)地方。”
吳光勝建議,放開衛(wèi)星民用市場,“一些很小的國家都有很多同步衛(wèi)星軌位。別人都把軌位申請了,中國到時(shí)再去申請,只能花巨額費(fèi)用買別人的。”
從微波到毫米波到太赫茲,華訊方舟沿著這一通訊技術(shù)路線發(fā)展,目前已處于世界領(lǐng)先位置。吳光勝說,“我們2007年來到深圳,之后幾年一直埋頭做研發(fā);2011年到2014年,厚積薄發(fā),連續(xù)三年一直保持400%的高速度增長?!?/p>
此外,天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院、太赫茲研究中心張偉力教授團(tuán)隊(duì)在石墨烯太赫茲波調(diào)制的研究中也取得了突破性進(jìn)展,即采用石墨烯-硅的復(fù)合結(jié)構(gòu),在低功率連續(xù)激光的激勵(lì)下,利用極低的電壓(0.1-4伏)即可實(shí)現(xiàn)對太赫茲信號(hào)的大幅度調(diào)制,其調(diào)制深度高達(dá)83%,帶寬覆蓋了0.4-2THz范圍。在此基礎(chǔ)上研制的太赫茲集成化器件,實(shí)現(xiàn)了對太赫茲波的正向偏壓導(dǎo)通、負(fù)向偏壓截止的光學(xué)“二極管”效應(yīng)。該研究成果為太赫茲二維材料和器件的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ),在寬帶太赫茲波調(diào)制器、太赫茲波整流、太赫茲波通信等領(lǐng)域有十分重要的應(yīng)用前景。
據(jù)中國科學(xué)院網(wǎng)站的信息顯示,今年年初,中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、中國科學(xué)院納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室秦華團(tuán)隊(duì)與中國電子科技集團(tuán)有限公司第十三研究所專用集成電路國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作,成功獲得了高靈敏度石墨烯(Graphene)太赫茲探測器,靈敏度達(dá)到同類石墨烯探測器的最好水平,該結(jié)果近期發(fā)表在碳材料雜志Carbon(116, 760-765(2017))上。
儲(chǔ)能電池器件產(chǎn)業(yè)化尚需努力
鋰離子電池的續(xù)航問題成為制約新能源汽車推廣普及的軟肋,當(dāng)石墨烯出現(xiàn)后,業(yè)界對石墨烯提升動(dòng)力電池性能充滿期待。去年至今,東旭光電、華為、航材院和碳世紀(jì)等公司相繼發(fā)布石墨烯電池產(chǎn)品,在行業(yè)內(nèi)引起了很大關(guān)注和爭議。
“到目前為止,我們已經(jīng)布局完成從石墨烯—石墨烯包覆的正負(fù)材料—石墨烯基離子電池—新能源的汽車的完整產(chǎn)業(yè)鏈?!睎|旭光電副總經(jīng)理王忠輝在論壇上首先向與會(huì)嘉賓介紹了東旭光電的石墨烯在新能源產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面的基本情況。
2016年,東旭光電宣布研發(fā)成功并小規(guī)模生產(chǎn)了“烯王”石墨烯基鋰離子電池產(chǎn)品,引起業(yè)界一片驚呼和爭議。近期,東旭光電擬于香港發(fā)布“烯王二代”,據(jù)稱進(jìn)行了升級(jí)。
除了石墨烯基鋰離子電池,3月20日,東旭光電宣布將以發(fā)行股份及支付現(xiàn)金方式30億元購買上海申龍客車100%股權(quán),這標(biāo)志著東旭光電正式進(jìn)入新能源汽車領(lǐng)域,石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用空間進(jìn)一步拓展。
現(xiàn)在石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用是全球熱點(diǎn),國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在涉足這個(gè)領(lǐng)域。石墨烯應(yīng)用于電池主要有兩種方式,第一種是作為導(dǎo)電添加劑,在鋰電池工廠已經(jīng)有了大量應(yīng)用,另外就是用石墨烯包覆正極材料。隨著技術(shù)的成熟和工藝的完善,石墨烯將大幅提升鋰離子電池的性能,進(jìn)而極大推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
為什么石墨烯可以提升鋰電池的性能,但產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)又這么難呢?王忠輝表示,其實(shí)從產(chǎn)業(yè)化的角度來講,必須要評估石墨烯電池性能的提升到底有多大。如果電池性能只是提升了5%、10%,下游企業(yè)愿不愿意去為了追求這5%、10%或者很小的提升而去嘗試著用石墨烯?反之,如果石墨烯對性能的突破甚至是顛覆性的,那么下游企業(yè)的積極性肯定會(huì)非常高。所以,性能提升多少是一個(gè)非常重要的原因,我們還需要在技術(shù)的突破上做大量的工作。第二,真正想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,還面臨成本、價(jià)格、工藝、設(shè)備等問題。只有這些問題都能夠解決之后,整個(gè)石墨烯和新能源,尤其是和鋰電池的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)才能大步流星地走起來。
在談到對“石墨烯+新能源”的理解時(shí),王忠輝表示,石墨烯與新能源的結(jié)合應(yīng)用前景廣闊,我們對“石墨烯+新能源”的未來充滿信心。石墨烯和鋰離子電池、超級(jí)電容器的結(jié)合是當(dāng)前最熱點(diǎn)的結(jié)合。同時(shí),石墨烯在太陽能電池領(lǐng)域提升光電轉(zhuǎn)化效率的應(yīng)用、石墨烯涂料在風(fēng)力發(fā)電、潮汐能發(fā)電領(lǐng)域發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用、石墨烯在電熱產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用、在LED燈領(lǐng)域應(yīng)用等都屬于石墨烯在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用。
中航發(fā)北京航空材料研究院高級(jí)工程師燕紹九介紹了航材院在石墨烯鋰離子電池和鋰硫電池的研究成果。他表示,任何一個(gè)成熟的產(chǎn)品都要經(jīng)歷一個(gè)過程,首先有材料、工藝,再有裝備,最終才能形成產(chǎn)品,產(chǎn)品到商品又有一大步,石墨烯本身是一種材料,作為材料就需要有很多人默默做很多基礎(chǔ)性的工作。新能源領(lǐng)域的很多產(chǎn)品比如鋰電池已經(jīng)是成熟的商業(yè)化的產(chǎn)品,石墨烯作為一種新材料,要和成熟的工業(yè)化的商品對接,這就需要有比較好的體制和方式來實(shí)現(xiàn)。鋰電池作為成熟的商品,在不同的應(yīng)用領(lǐng)域,也不是一個(gè)最終的產(chǎn)品,還要符合其他各個(gè)行業(yè)的一些標(biāo)準(zhǔn)。石墨烯材料加進(jìn)去,是不是很多東西需要重新去驗(yàn)證?
寧波中車新能源超級(jí)電容研究所副所長鄭超介紹了中車集團(tuán)石墨烯基超級(jí)電容器產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用情況。他表示,從研發(fā)角度來看,石墨烯原材料是上游企業(yè)提供的,從未來發(fā)展趨勢來說,還是要以下游應(yīng)用為主,以市場為導(dǎo)向,引導(dǎo)開發(fā)。因?yàn)槭┎⒉皇侨f能的,上游企業(yè)可能覺得我做的這個(gè)材料很厲害,哪里都能用,鋰離子電池能用,超級(jí)電容器也能用。但是石墨烯在鋰電池和超級(jí)電容器里起的作用是不一樣的。在鋰電池中,石墨烯做導(dǎo)電劑,鋰電池的循環(huán)壽命一般在1500次左右,對于雜質(zhì)金屬元素的含量也沒有那么苛刻的要求。但是,超級(jí)電容器要求有幾十萬甚至上百萬次的循環(huán)壽命,對于石墨烯的要求肯定不同。所以,石墨烯要進(jìn)入產(chǎn)業(yè)鏈下游,以企業(yè)為導(dǎo)向,以應(yīng)用產(chǎn)品為導(dǎo)向。下游應(yīng)用企業(yè)可以牽頭做一些標(biāo)準(zhǔn),更好地推動(dòng)石墨烯的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化。
對于石墨烯對新能源的影響,鄭超表示,一是正的影響,石墨烯材料之前,做超級(jí)電容器我們繞不過去的就是活性炭材料,但是活性炭材料的能量密度已經(jīng)到了極限了。更關(guān)鍵一點(diǎn),活性炭材料國內(nèi)并沒有國產(chǎn)化,基本還是掌握在日本和韓國手里,成本很高。所以,我們希望把石墨烯材料應(yīng)用到超級(jí)電容器能夠部分替代或者全部替代活性炭材料,這對于超級(jí)電容器整個(gè)產(chǎn)業(yè)來說是有戰(zhàn)略性意義的,這是正面。
反的方面,我們做了四五年的研發(fā)工作,能量密度也只是做到十一點(diǎn)幾,未來五年目標(biāo)做到15瓦時(shí)/公斤。我們經(jīng)常看到報(bào)道,說石墨烯充一次電,能跑四五十公里,上百公里。石墨烯是很好的儲(chǔ)能材料,但是不要夸大它的作用,還是要一步一步踏實(shí)地推進(jìn),這個(gè)過程不是一蹴而就的,需要上下游產(chǎn)業(yè)一起,下游企業(yè)制定一些標(biāo)準(zhǔn)和要求,石墨烯上游進(jìn)行改進(jìn),形成一個(gè)很好的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu),共同推動(dòng)發(fā)展。
中科院國家納米中心研究員智林杰介紹了石墨烯基雜化材料用于鋰離子電池的研究現(xiàn)狀,他表示,石墨烯在新能源領(lǐng)域有很大的機(jī)遇,但是也同樣面臨很大的挑戰(zhàn),石墨烯行業(yè)目前最重要的是要避免跟風(fēng)炒作,踏實(shí)埋頭苦干。銀基烯碳高級(jí)研究員于灝介紹了烯碳新材在石墨烯和鋰離子動(dòng)力電池領(lǐng)域的發(fā)展情況,以及集團(tuán)公司在新能源汽車領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局。
近幾年,北京、天津、河北等地霧霾越來越嚴(yán)重,引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。為了治理霧霾,能源結(jié)構(gòu)和交通結(jié)構(gòu)的調(diào)整勢在必行,這也為石墨烯提供了廣闊的應(yīng)用空間。一方面通過大力發(fā)展新能源汽車來減少尾氣排放;另一方面,鍋爐的燃煤,以及農(nóng)村取暖散煤的燃燒,也是造成空氣污染非常重要的原因。國家在這種背景下提出了“煤改電”的戰(zhàn)略,在這個(gè)戰(zhàn)略背景下,利用石墨烯電熱性質(zhì)的一些電取暖產(chǎn)品,也是新能源的具體表現(xiàn)。
論壇上,寶泰隆石墨烯技術(shù)總監(jiān)古月文志介紹了碳材料分散技術(shù)、石墨烯電加熱膜的研發(fā)歷程及其在“煤改電”領(lǐng)域應(yīng)用的重要意義。據(jù)了解,寶泰隆于2016年12月建成投產(chǎn)國內(nèi)首套自動(dòng)化、連續(xù)式100噸級(jí)工業(yè)化制備石墨烯生產(chǎn)線。
公開資料顯示,東旭光電積累了石墨烯電熱膜技術(shù),研發(fā)了如電熱膜、電熱地板、電熱壁畫、電熱暖氣等應(yīng)用產(chǎn)品。此外,杭州熊爸爸推出了壁掛式石墨烯取暖器,北京綠能嘉業(yè)新能源公司研制出“畫暖家”石墨烯暖畫系列產(chǎn)品。
劉忠范院士認(rèn)為,未來石墨烯產(chǎn)業(yè)一定是個(gè)大蛋糕,但發(fā)展需要工匠精神。目前,石墨烯產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)研究處于熱潮,大規(guī)模應(yīng)用研究還剛剛走出實(shí)驗(yàn)室,只有堅(jiān)定信心,持續(xù)推進(jìn),一定有美好的未來。
為積極推動(dòng)石墨烯與下游應(yīng)用結(jié)合,加速已接近成熟的石墨烯技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,從更高層面布局石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展,中關(guān)村石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟2017年將推出“烯望跨界系列”專題研討會(huì),重點(diǎn)探討石墨烯在關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域中存在的問題、瓶頸及解決途徑。本次“石墨烯+新能源”研討會(huì)是“烯望跨界系列”的首場活動(dòng),接下來還將舉辦石墨烯+交通、石墨烯+健康、石墨烯+智能、石墨烯+環(huán)境等專題研討會(huì)。
“未來聯(lián)盟將充分發(fā)揮紐帶作用,將政府、資本、企業(yè)、科研院所有機(jī)地聯(lián)系在一起,應(yīng)用激活產(chǎn)業(yè)鏈,通過形式多樣的活動(dòng),推動(dòng)跨界合作交流、技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新,破解石墨烯上下游應(yīng)用脫節(jié)的難題,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)步?!敝嘘P(guān)村石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長周靜表示。