石墨烯

新华社记者在6日举行的2016哈尔滨市南岗区石墨烯产业招商项目集中签约仪式上获悉:具有高科技含量、高附加值、良好发展前景的石墨烯新材料产业集群将大规模落户哈尔滨.在新能源新材料领域拥有多项世界级核心技术优势的北京中博鑫源科技股份有限公司,携手8家世界知名石墨烯及相关新材料生产研发企业,共同进驻南岗区新材料工业园区,投资186.1亿元,构建南岗区石墨烯新材料产业基地,打造国际领先、国内唯一的寒地电动车全产业链生产及配套基地,力争到2020年实现总产值突破500亿元.

石墨烯电池

  此次集中签约项目有包括投资100亿元的国家信息安全石墨烯电池合作项目、新能源电动车动力电池装配项目,投资20亿元的军民融合石墨烯电池合作项目,投资10.5亿元的全球首款耐寒电动乘用车、专用车研发生产基地项目,投资14.1亿元的全球首款新能源耐寒快充型电池产业基地项目,投资9.5亿元的城市新能源电动汽车充电站(桩)项目,投资5亿元的军用民用石墨烯复合材料装备及PTC材料研发生产基地项目等9个项目,有针对性地加强石墨烯材料在耐寒冻服役条件下耐腐蚀性、耐久性等实验项目的开展.

  这些项目的集中落地,将形成从石墨烯原料开采,到新能源汽车生产等全产业链生态体系.其中,投资100亿元的墨烯电池合作项目、电动车动力电池装配项目,联手大型国企参与合作,利用北京中博鑫源科技股份有限公司在新能源动力电池研发领域多项国际领先的核心技术,实现新能源电动汽车在极寒环境的突破性应用.北京中博鑫源科技股份有限公司董事长张博对记者介绍说,全球首款新能源耐寒快充型电池可在零下55摄氏度正常使用,实现电动汽车6分钟"闪充"行驶200公里至300公里的突破性应用.这种以石墨为原料,融入PTC(自控温低压热敏电阻)材料的新能源动力电池,填补了国内极寒地区电池使用的空白,技术处于国际领先水平.

  这也是充分发挥我国黑龙江省石墨矿产资源富集的优势,打造我国石墨烯产业结构的优化升级,拉动黑龙江省经济发展的重大举措.

  石墨烯的应用与石墨烯的制备技术特点紧密相联.我国石墨储量丰富,石墨从上而下剥离法制备的石墨烯及其复合材料迟早会在化工、能源、环境、水处理、传感器和生物等领域找到应用.石墨烯膜、液体分散系和粉体三种基本形态,与高分子、金属、陶瓷和半导体等主流材料相结合,调控加工与应用终端对接,应用到各领域.但大规模的应用的第一个突破口在哪里,很难准确判断,因为除了技术发展自身规律外,还有资金等社会因素.技术门槛较低的是散热材料(散热膜、胶等),如智能手机、电脑等诸多电子信息产品需要更好更多的散热材料,有可能带动石墨烯的规模应用.其次是储能领域,如超级电容器和二次电池,电动汽车、移动电源和国家电网等对储能的需求越来越大,质量要求越来越高,石墨烯基材料有望提高储能充放电的速率和能量密度.

  再次是高分子化工领域,包括各种功能膜与涂层(如静电屏蔽、金属防腐等),以及分离膜(如水处理),石墨烯的添加复合有助于高分子产品的升级和特种应用,特别是取代炭黑使得传统产业升级改造.高端应用则可能在电子信息领域,如透明导电薄膜、晶体管、光调制器和传感器等领域等大有可为.石墨烯无毒、质轻、柔韧性好及对环境敏感的特质使其在生物领域也能找到用武之地.

  石墨烯大规模应用的时间表受到技术规律和社会方面等多种复杂因素的影响,包括基础研究的突破、技术本身发展规律,市场需求和政府社会环境以及资金与技术的实时融合等.从替代炭黑到替代氧化铟锡(ITO)再到替代硅,若能实现,每一次都是变革性的.尽管投资石墨烯难度大、风险高,但是回报极高.此次国内石墨烯及其类石墨烯材料大型项目规模的开展势必对会给中国带来更多的机遇和发展.

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  一、石墨烯优异的性能

  1.性能优异的石墨烯是原子世界直接通向宏观世界的完美二维晶体.在结构上,石墨烯是一种原子厚度的开放平面二维碳材料,是由碳原子以sp2杂化紧密堆积成六角形蜂窝晶格的二维晶体.它可被看成是石墨、碳纤维、碳纳米管和富勒烯等的基元材料;它是迄今为止世界上已知材料中最薄且真正意义上的二维材料.完美晶体的石墨烯集合先进的机械强度、导热性和透光性、导电性和化学稳定性于一身.

  单片完美石墨烯的机械强度极高,杨氏模量达1TPa,本征强度130GPa,是最坚韧的材料;热导率最高,室温下约为5000W /(m·K),是铜的10倍和硅的几十倍;其室温载流子迁移率达2.0×105cm2/(V·S),比硅快100倍;导电性很好,能经受得住极高的电流密度;单层透光率高达97.7%,但另一方面几乎是全波段吸收,单层吸光率2.3%;其化学稳定性与石墨一样,耐温耐酸耐碱耐化学溶剂[1].,因此,石墨烯在化工、能源、环境和生物等领域会得到广泛应用.

  二、目前,石墨烯的制备方法主要分为2类:

  一类是以石墨为原料的液体剥离法,主要包括石墨氧化剥离、石墨插层-膨胀-机械剥离和石墨电化学溶胀剥离等3种方法.其优势是原料石墨极其丰富,能够扩大到N吨级规模制备,以满足化工、环境和能源领域的大规模应用需求,缺点是石墨烯的质量不高,成本还有下降的空间.

  第二类是碳源基底生长法,由含碳化合物在固体基底上高温转化生长而成石墨烯.代表性制备方法的是金属基底催化的化学气相沉积和碳化硅基底转化生长等2种方法.该类方法制备的石墨烯质量比第一类更高(石墨的胶带剥离法仅限于基础研究,不能升级,这里不作讨论),但产量相对很小,通常以面积计量而不论质量,能耗高、成本高.接下来简单介绍这5种方法的工作原理、应用领域和优缺点.