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揭秘新材料之王石墨烯:未来投资机会在哪?

2016-08-19 00:35
科技那回事
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  2、下游产业对其产业的影响

  石墨烯产业最大的瓶颈在于还没有形成完整的产业链,目前仍没有一种可以应用石墨烯的产品能够规模化生产。对石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研机构的研究使用。

  石墨烯的高强度、高导电性及传热性、超大的比表面积等特性能够在航天军工、锂离子电池、超级电容器等多领域有潜在应用,但由于其成本过高,一直都处于研究阶段。从目前的技术发展来看,最有可能实现工业化使用石墨烯的下游行业是复合材料领域和显示技术领域。将石墨烯添加到塑料、橡胶、涂料等基体中,可以大幅增强产品的性能,如强度、韧度、导电性及传热性等,在符合材料领域的应用也是目前石墨烯最大的产业化应用。

  锂离子电池

  大幅缩短充电时间,提升电池容量。目前,全球汽车制造商使用的动力电池主要使用锂电池,以特斯拉为代表的镍钴铝酸锂电池、以比亚迪(002594,股吧)为代表的磷酸铁锂电池和以日本汽车为代表的锰酸锂。

  这三类电池以钴酸锂电池能量密度最高,但它在高温下也最不稳定;磷酸铁锂电池最稳定,但能量密度最低。锂离子电池技术已经沉寂了20年没有大的技术革新,其最大的障碍在于:锂离子电池功率密度有限,其大量能量无法快速接收或释放(即无法实现快充快放)。

  石墨烯由于其超大的载流子迁移率,应用于锂离子电池上,可以大幅降低充电时间;而且由于其稳定性可以提高电池循环稳定性;另外由于超大比表面积还能提升电池容量。

  表面防护材料

  石墨烯结构稳定,耐腐蚀,耐氧化,强度大,并且容易在各种金属表面生长,可以广泛应用于金属材料表面保护。同时由于其导电性和高导热性,也可广泛应用于有机材料的保护及防静电领域。可以想象如果在汽车面板表面镀上一层石墨烯,再也不用担心爱车被划了!

  代替硅应用于集成电路,助力无人驾驶

  硅让我们进入了电子化时代,多晶硅已经成为半导体行业的基础原料,被大量用作集成电路的基板。随着工艺技术的改进,目前硅基芯片的运行速度达到了GHz的级别,但随着技术的不断进步,对于计算机速度的要求越来越高。

  然而,硅基芯片受到材料自身性能的限制,处理速度达到4-5GHz后就很难再提高,已经逐渐不能满足人们对速度的要求。在众多的备选材料中,石墨烯因其超高强度、超高热导率以及超强导电性而最引人瞩目。

  使用石墨烯作为基质生产出的处理器能够达到THz(即1000GHz),IBM已经在2010年研制出运行速度超快的石墨烯晶体管,其最大频率可以达到230GHz,远远超过现在的硅基晶体管运行速度。IBM在2014年7月宣布将再投入30亿美元进行包括石墨烯在内的碳芯片技术的研发。石墨烯未来很有可能取代硅成为半导体行业的基础材料。

  无人驾驶技术方兴未艾,其需要超强、超快的计算能力,数据存储、处理系统对集成电路要求非常高,现有的硅基芯片很难完全满足其需求,而石墨烯基碳芯片的开发应用将会解决这一技术瓶颈,提供强大的算力支持。

  应用于超级电容器,完美加速

  超级电容器是一种新型储能装置,与充电电池相比,可进行不限流充电,因而充放电速率非常快,可以在几秒内完成充放电过程,同时具有功率高,使用寿命长等特点。将超级电容器与锂离子电池组合使用可有效解决电动车加速慢的问题。

  由于石墨烯比表面积很大,所以以石墨烯为电极的超级电容器具有超高的容量,可以达到上百F/g,远高于其他材料作为电极的超级电容器,更适合作为动力电池的助力动力源(600405,股吧)。

石墨烯在超级电容器中的应用

  替代ITO制备超高效太阳能电池及可折叠的显示器

  今年7月2号,汉能高调公布了四款运用太阳能作为动力源的概念汽车,如果有朝一日这一想法能够在汽车领域得到推广实现,可以想象汽车行业对太阳能电池的需求会大幅提升。目前太阳能电池、显示器及触摸屏使用的透明导电材料主要是氧化铟锡(ITO)。但由于ITO对红外线的透射率实际上也还是比较低,导致现在的太阳能电池对太阳能的利用效率依然比较低;另外,ITO材料的韧性较差,在折叠或是拉伸时会影响显示的效果。

  石墨烯由于其特殊的结构而具有非常高的电导率,同时几乎透明,对所有波段的光透过率都超高,是一种性能超优异的透明导电材料,因此其被广泛看好代替ITO。

  在太阳能电池领域,日本富士电机在开发上处于领先地位。其得到的石墨烯片的导电率高达ITO的几倍,并且能够保证90%的光透射率,已经达到能够充分满足性能指标的水平。在显示器及触摸屏领域,相比于现在主流的ITO材料,石墨烯拥有更高的强度和更好的韧性,作为透明导电材料,能够制作成为可以弯曲的显示器件。

  石墨烯气凝胶,用于尾气空气净化、催化载体

  汽车室内及尾气的净化一直是汽车环保领域考虑的重要问题。2013年浙大高分子系高超教授课题组制备出了世界上最轻的材料—石墨烯超轻气凝胶,材料密度仅为0.16mg/cm3。这种材料制备工艺简单却拥有非常优异的性能,其具有高弹性,被压缩80%之后仍可恢复原状;同时还具有超快、超高的吸附力,是迄今吸油能力最强的材料。其可以广泛应用于空气净化、催化载体等领域,对汽车室内空气净化以及尾气催化还原具有重要意义。

  石墨烯产业发展状况

  我国的石墨烯研究虽然起步较晚,但发展速度快,有着潜在优势。近年来国内相关专利申请量和申请人数增长非常迅速,所涉及的技术主题也更加广泛。江苏、重庆、深圳、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。在全球石墨烯产业综合发展实力排名中,中国位列第三,前两名分别是美国和日本。

  石墨烯产业化方面,2015年成为了中国石墨烯产业的爆发元年。2015年3月2日,全球首批3万部石墨烯手机在重庆发布,该款手机采用了最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜,开启了石墨烯产业化应用的新时代。经过多年科学研究的积累,我国石墨烯企业的产业化步伐不断加快,制备工艺呈现多元发展,已有少数企业具备石墨烯产品的规模化生产的能力。

  石墨烯相关专利和知识产权的申请数量逐年递增,尤其在2012-2014年迎来了井喷式的爆发。2009年全球石墨烯专利数量为948篇,到2013年,专利申请数量达到6116篇,是2009年的6倍之多,增长速度极快,反映出石墨烯在近几年成为研究热点。目前我国石墨烯研究水平走在国际前列,但部分石墨烯核心专利依旧是掌握在少数大国手中。而近年来全球石墨烯技术专利正由制备工艺向下游应用转变,未来石墨烯有望加快同下游应用行业结合,推动石墨烯产业化进程。

  我国的石墨烯应用专利集中在锂电、储能、复合材料等领域,布局相对较窄,且主体多为高等院校,研发和应用在一定程度上脱节。未来国内石墨烯产业化发展如何改变这种现状、形成完整成熟的产业链上下游、研制出性价比更高的产品等都是急需解决的难题。

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