石墨烯:下一個萬億級新興產業
近日,中國首條年產3萬平方米石墨烯薄膜生產線投產暨石墨烯手機觸摸屏新品發布會在江蘇常州舉行,這標志著中國在石墨烯產業化應用方面又邁出了重要一步。
石墨烯是已知材料中最薄的一種,質料非常牢固堅硬,在室溫狀況,傳遞電子的速度比已知導體都快,因此其應用前景非常廣泛,在觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、傳感器、半導體、航天、復合材料、生物醫藥等領域擁有廣闊的應用前景。
中國科學院6月發布的《科技發展新態勢與面向2020年的戰略選擇》研究報告中指出,未來5-10年,世界可能發生22個重大科技事件,其中石墨烯將成為“后硅時代”的新潛力材料。業內人士表示,石墨烯一旦量產將成為下一個萬億級的新興產業。
石墨烯應用前景廣闊
“從全球世界范圍看,石墨烯都屬于前沿研究,材料的研發仍處于初級階段,離大規模應用尚存一段距離,但并不意味著遙遙無期。” 南京大學電子科學與工程學院教授王欣然說,最先進入市場的應該是手機、平板電腦等終端上的石墨烯觸摸屏,預計2年后就可以上市。而由石墨烯做的光電探測器、太陽能電池等光電器件也將于2015年逐步進入市場。但是,要求更高、工藝更為苛刻的高頻電路、邏輯電路則在更遠的將來才能走向市場。
中國科學院院士高鴻鈞也表示,石墨烯在未來電子器件上具有誘人的應用前景,被看作是石墨烯研究最可能突破、實現產業化的領域,成為國際上的研究熱點和競爭焦點。
日前,中國科學院重慶綠色智能技術研究院已經成功制備出國內首片15英寸的單層石墨烯,其尺寸達到了國內最高水平。中科院重慶研究院目前已經在銅箔襯底上生長出15英寸的均勻單層石墨烯,并成功將其完整地轉移到柔性PET襯底上和其他基底表面。通過進一步加工,還制備出了7英寸的石墨烯觸摸屏。將石墨烯觸摸屏貼在一臺普通筆記本電腦的顯示屏上,用手寫筆可在屏幕上寫字。
在儲能領域,石墨烯有望在鋰離子電池和超級電容器發展上大顯身手。石墨烯優異的導電性能和柔韌的二維層狀結構,可以提高鋰離子電池和超級電容器的充放電速度、循環穩定性和安全性,有可能達到幾分鐘甚至幾秒鐘充滿電,這樣的石墨烯鋰電池在消費電子、電動汽車和儲能領域具有很大市場。
此外,用石墨烯制成的散熱薄膜可應用到智能手機、平板電腦、LED照明、LCD電視等超薄大功耗電子產品。功能化的石墨烯材料在生物醫藥、生物診斷和食品加工等領域也有極高的應用價值。
石墨烯投資熱度升溫
由于石墨烯巨大的市場潛力,世界范圍內掀起了石墨烯的研發和投資熱潮。目前三星電子、IBM、陶氏化學、通用、施樂公司等國際大牌廠商都在積極推進石墨烯產業化研究。
在國內,浙江大學、清華大學、北京大學、中國科學院金屬研究所、中國科學院寧波材料技術與工程研究所、上海交通大學、東南大學、天津大學等高校及科研機構在石墨烯的制備及應用領域申請了眾多專利。
截至今年6月,國內機構共申請石墨烯相關的發明專利3000多項,其中456項已經獲得國家知識產權局的專利授權,主要集中在石墨烯的制備和石墨烯應用領域。
在石墨烯的產業化應用方面,江蘇走在了全國前列。2010年7月,江蘇泰州成立了國內首個專業的石墨烯新材料公司,目前已具備較大規模。2011年10月,常州成立了江南石墨烯研究院,為國內首個基于石墨烯材料及應用的產業化基地,引進了常州第六元素等多家高科技企業。泰州市政府還批準成立了國內首個石墨烯研究與檢測平臺,為石墨烯的質量檢測標準制定、石墨烯的產業化應用提供技術支持。
中國科學院寧波材料所研究員劉兆平領導的石墨烯研究團隊,于2011年成功研發出擁有自主知識產權的石墨烯低成本規模化制備技術,并建立了噸級規模的中試生產線。2012年,該技術轉移給上海南江(集團)有限公司,雙方合作成立寧波墨西科技有限公司,致力于石墨烯的生產、銷售與應用技術研發。年產300噸的石墨烯生產線計劃于今年年底建成。
隨著石墨烯的技術進步和產業化進程推進,市場對其關注度日趨升溫,涌現了幾十家涉及石墨烯研發、生產、銷售和服務的高科技企業。如上海新池、南京科孚納米、深圳貝特瑞等。其中不乏風險投資機構的積極介入。此外,國內多家上市公司如方大炭素、南都電源、中超電纜等也進軍到石墨烯應用領域。
石墨烯產業化障礙待破
盡管石墨烯的研發如火如荼,在學術界、企業界和資本市場備受追捧,但如何大規模制備高質量、大尺寸、低成本的石墨烯是產業化亟待解決的問題。
多位專家表示,目前制備石墨烯的技術工藝還不成熟,沒有達到一致性的品質,而且成品面積都非常小,不能適應工業化應用。石墨烯整體還在研發階段,各國對這個新興材料正處于專利布局期,產業鏈還沒有形成,對石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研機構的研究應用。
據介紹,石墨烯之所以沒有實現大規模量產,主要是沒有找到一種適合大規模生產的方法和途徑,這也是石墨烯成本居高不下的原因。
中國科學院院士高鴻鈞表示,雖然我國石墨烯研究群體大、成果多,但突出性、原創性成果較少。我國石墨烯研究大都是采用他人成熟的方法,始終處于落后位置,重大創新十分有限,因此要在材料制備方法上尋求突破。此外還有一個問題就是,我國石墨烯產業應用相對薄弱。
清華大學教授朱宏偉認為,目前石墨烯已經具備規模化生產的能力,但在發展過程中,仍存在一些問題。中國現有的技術水平可以支持其產業化,但并沒有達到最好的水平,未來還需有大的突破。而主要的制約因素在石墨烯的制備技術與理想狀態仍存在差距。此外,他希望國家能對石墨烯研究機構及企業給予更多的政策扶持。
東南大學教授、博士生導師倪振華此前就加速石墨烯科研及產業化提出五點建議:一是從政府層面引導石墨烯研究的正確方向;二是通過政策支持加快產業化進程;三是盡快著手制定行業標準,爭取獲得話語權;四是加強行業間的交流合作,促進石墨烯廣泛應用;五是成立相關產業技術聯盟,加強行業內部的協調和合作。