石墨烯應(yīng)用技術(shù)年終盤點(diǎn)

文/曾革

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石墨烯應(yīng)用技術(shù)年終盤點(diǎn)

文/曾革

電子元件與材料雜志社

基于中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟、中關(guān)村石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等多家石墨烯研發(fā)組織的資料，整理概括了截止2016年底石墨烯應(yīng)用技術(shù)在發(fā)展規(guī)模、技術(shù)成熟度、重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域、標(biāo)準(zhǔn)、專利以及政策支持等信息，匯聚了多方觀點(diǎn)，顯示了石墨烯應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。

2016年12月18日，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟(以下簡(jiǎn)稱石墨烯聯(lián)盟)2016年會(huì)在京召開(kāi)，聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)李義春在工作匯報(bào)中指出，石墨烯產(chǎn)業(yè)在中國(guó)發(fā)展態(tài)勢(shì)非常迅速，2015年統(tǒng)計(jì)的企業(yè)有三百多家，2016年已達(dá)四百多家。在推進(jìn)石墨烯商業(yè)化應(yīng)用方面，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟通過(guò)與各地方政府共同打造石墨烯產(chǎn)業(yè)園，使石墨烯產(chǎn)業(yè)在常州、青島、無(wú)錫等地蓬勃發(fā)展。到2018年，中國(guó)將建成石墨烯從研發(fā)到制造的全創(chuàng)新鏈條、全球領(lǐng)先的研發(fā)中心以及石墨烯應(yīng)用工程技術(shù)中心。重點(diǎn)面向能源存儲(chǔ)裝置、功能涂料、改性橡膠、傳感器和柔性電子等諸多應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展商業(yè)化，預(yù)計(jì)到2020年將形成營(yíng)收1 500億美元的石墨烯相關(guān)產(chǎn)品市場(chǎng)[1]。

聯(lián)盟技術(shù)委員會(huì)主任康飛宇在技術(shù)工作匯報(bào)中總結(jié)了石墨烯的幾個(gè)重點(diǎn)技術(shù)方向，他特別關(guān)注那些已經(jīng)走出中試，進(jìn)入商業(yè)化前期，甚至是已進(jìn)入商業(yè)化的技術(shù)。2016年中國(guó)的石墨烯研發(fā)工作頗具特色，在連續(xù)大規(guī)模制造研究以及與產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合等方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。前兩年就有像二維、格菲這樣的企業(yè)開(kāi)始做石墨烯膜，目前采用卷對(duì)卷工藝已經(jīng)可以大量生產(chǎn)了，應(yīng)用也很有起色，導(dǎo)熱的電加熱產(chǎn)品已在應(yīng)用。最近投產(chǎn)的石墨烯用到了低溫復(fù)壓技術(shù)，在真空約200 ℃的環(huán)境下制造，避免了常見(jiàn)的高溫膨脹，克服了氧化等不利因素，這不僅降低了能耗，更為重要的是提高了石墨烯的質(zhì)量，所制產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)成規(guī)模地供應(yīng)電池廠。石墨烯材料下游的儲(chǔ)能和新能源器件目前有不少實(shí)打?qū)嵉膽?yīng)用，比如鋰電池和超級(jí)電容器。電池技術(shù)進(jìn)展很快，見(jiàn)諸報(bào)道的突破很多，真真假假虛虛實(shí)實(shí)的都有，但康飛宇認(rèn)為其中不乏真金白銀的技術(shù)。鋰電池的研發(fā)目前集中在快速充電和提高容量，近期關(guān)注度較高的華為電池，其主要是利用石墨烯對(duì)電極進(jìn)行散熱。

中關(guān)村石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)、中科院院士劉忠范在2016中國(guó)國(guó)際石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇上，采用Gartner技術(shù)成熟度曲線對(duì)石墨烯這一新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了描繪，如圖1所示[2]。劉院士認(rèn)為石墨烯現(xiàn)階段處于圖中關(guān)注度的峰值區(qū)域，也就是期望值非常高，同時(shí)他還指出，很多做基礎(chǔ)研究的人現(xiàn)在已經(jīng)退出石墨烯領(lǐng)域，因?yàn)槌晒弋a(chǎn)期已經(jīng)過(guò)了。

圖1 石墨烯產(chǎn)業(yè)的Gartner技術(shù)成熟度曲線

在石墨烯產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)的突破上，劉忠范院士課題組做了很具開(kāi)創(chuàng)性意義的工作，2017年在光纖制備與傳感技術(shù)以及石墨烯非線性光學(xué)研發(fā)領(lǐng)域還將持續(xù)發(fā)力。課題組將玻璃和石墨烯材料結(jié)合，這兩種材料都是透明的，但玻璃的屬性是絕緣非晶態(tài)，而石墨烯與之相反，具有既導(dǎo)電又導(dǎo)熱的晶體屬性，劉忠范院士將其稱之為“超級(jí)石墨烯玻璃”，這讓筆者聯(lián)想到雜交而出的“超級(jí)水稻”，這也許是技術(shù)之道在不同領(lǐng)域的映射，可謂“稻可道，非常稻”。

理想的石墨烯是一張薄薄的具有單晶結(jié)構(gòu)的完美圖畫(huà)，現(xiàn)實(shí)的石墨烯卻如一件乞丐的爛衫，破衣服上點(diǎn)綴著星星點(diǎn)點(diǎn)閃爍的單晶，單晶之間相伴而生廣闊的邊界，單晶很強(qiáng)大，邊界很脆弱，結(jié)果就是一拉即破，衣不蔽體。破，還是其一，臟，更難忍受，“黑鉆”石墨烯全身布滿與生俱來(lái)的多種污染物，能否高純宏量制備決定著石墨烯的未來(lái)。要制備出理想的石墨烯還需愚公移山，如何來(lái)測(cè)量與標(biāo)定石墨烯應(yīng)用的即將爆發(fā)？石墨烯標(biāo)號(hào)不失為一種辦法，像碳纖維那樣，有T300、T800、T1000這樣明確的規(guī)格，這涉及到石墨烯的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，誰(shuí)的標(biāo)準(zhǔn)擁有了話語(yǔ)權(quán)，誰(shuí)就搶占了產(chǎn)業(yè)先機(jī)。

石墨烯標(biāo)準(zhǔn)的制定面臨諸多挑戰(zhàn)，對(duì)此石墨烯聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)戴石峰在工作匯報(bào)中指出，標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)重要目標(biāo)就是營(yíng)造一種良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，圍繞目標(biāo)多做一些有意義的標(biāo)準(zhǔn)。在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)和專利八桿子打不著的事情，但是對(duì)新興領(lǐng)域這個(gè)情況發(fā)生了變化。高新領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)制定必須要有該領(lǐng)域不斷更新的科學(xué)技術(shù)為依托，這樣標(biāo)準(zhǔn)的水平才能提高，但是這些新興技術(shù)里面包含了各種版權(quán)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，標(biāo)準(zhǔn)屬于公權(quán)，而專利則是私權(quán)，現(xiàn)在要把私權(quán)納入公權(quán)就會(huì)產(chǎn)生矛盾，標(biāo)準(zhǔn)制定或服務(wù)單位希望能發(fā)揮技術(shù)專家的作用大家不斷探索。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)與專利緊密“聯(lián)盟”的發(fā)展需求，聯(lián)盟專利委員會(huì)主任劉兆平也深有體會(huì)，他在年會(huì)報(bào)告中分析了石墨烯專利的現(xiàn)狀。據(jù)德文特專利數(shù)據(jù)庫(kù)，2015年4月全球公開(kāi)的石墨烯專利是14 000件，在過(guò)去一年多的時(shí)間里，截止到2016年12月6日上升到了27 000件，幾近翻了一番。中國(guó)的專利在2015年4月是8 000件，到2016年底約17 000件，占全世界的60%，領(lǐng)先于韓國(guó)、美國(guó)和日本，對(duì)此劉兆平打趣道“中國(guó)在石墨烯領(lǐng)域比特朗普控制的地盤還大得多”。但是，不容回避的事實(shí)是，中國(guó)專利雖多，而實(shí)際管用的太少，尤其是源頭上的專利稀缺，專利“浮腫”現(xiàn)象不容忽視，國(guó)內(nèi)研制單位需做好應(yīng)對(duì)措施，避免知識(shí)產(chǎn)權(quán)的糾紛。

與專利數(shù)量虛高所對(duì)應(yīng)的，石墨烯低端產(chǎn)能也很高，據(jù)中科院成會(huì)明院士提供的數(shù)據(jù)，全國(guó)的產(chǎn)能差不多有7 000噸，但實(shí)際的產(chǎn)量也就100噸左右。有生產(chǎn)沒(méi)應(yīng)用這是一個(gè)大問(wèn)題，工信部原材料工業(yè)司副司長(zhǎng)苗治民在發(fā)言中同樣指出了目前做的很多新材料就是解決不了應(yīng)用的問(wèn)題，或者說(shuō)對(duì)于產(chǎn)業(yè)帶不來(lái)很多社會(huì)價(jià)值?！笆濉敝攸c(diǎn)將在材料的應(yīng)用上發(fā)力，針對(duì)應(yīng)用將制定一些新的政策，包括保險(xiǎn)機(jī)制、財(cái)稅機(jī)制，相應(yīng)的配套政策工信部等相關(guān)部委正在研究。中國(guó)中車集團(tuán)的阮殿波總工在主持石墨烯聯(lián)盟年會(huì)上使用了“國(guó)家戰(zhàn)略物資”這一提法，足見(jiàn)產(chǎn)業(yè)界對(duì)政策支持的厚望。

中國(guó)擁有全球最為龐大的石墨烯研發(fā)隊(duì)伍，論文數(shù)量順理成章排名第一，早在2015年8月底，中國(guó)在石墨烯領(lǐng)域發(fā)表論文就占到全球的34%（超過(guò)美國(guó)的19%）。但與專利數(shù)量有些類似，首創(chuàng)的“管用”論文不多。2016年，石墨烯聯(lián)盟的一篇題為《Graphene commercialization》文章發(fā)表在了《自然材料》（Nature Materials）上，該雜志影響因子高達(dá)38.891，居世界第7位，超過(guò)第9位的《Nature》和第16位的《Science》[3]，然而欣喜之余，聯(lián)盟也看到了石墨烯距離應(yīng)用第一、產(chǎn)業(yè)第一還有很長(zhǎng)的路要走，這需要注入國(guó)家意志、發(fā)揮政府補(bǔ)貼的作用。多方信息表明，石墨烯基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究面臨退潮，應(yīng)用之路尚需篳路藍(lán)縷、發(fā)揚(yáng)工匠精神，期盼“大面積”、“單晶級(jí)”、“管用”的文章能在中文期刊中展現(xiàn)，助推“殺手锏”級(jí)的應(yīng)用早日面世。

致謝：感謝中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟提供的文字材料和報(bào)道支持。

[1] XIAO X Y, LI Y C, LIU Z P. Graphene commercialization [J]. Nat Mater, 2016, 15: 697-698.

[2] 烯碳資訊. 劉忠范院士談石墨烯產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展之路[OL]. http://libattery.ofweek.com/2016-11/ ART-36002-8420-30066335_5.html.

[3] 青島市科技局. 青島企業(yè)聯(lián)合國(guó)內(nèi)專家在《自然材料》雜志發(fā)表文章[OL]. http://www.most.gov.cn/dfkj/sd/zxdt/201607/ t20160712_126570.htm.