李义春将我国石墨烯电池的研究分为两部分:在传统锂电池上进行应用以及依据石墨烯制造一个新体系的电池。石墨烯超级电池的成功研发,克服了电池产业的发展瓶颈,解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间过长的问题,若能批量生产,则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。而美国麻省理工学院成功研制的表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,为光伏产业的生存提供了出路。
石墨烯的“神奇”并不局限于新型电池,华为创始人任正非曾说,未来10~20年内会爆发一场技术革命颠覆时代,石墨烯时代将取代硅时代。作为新一轮材料革命的种子选手,各国均致力研发以求抢占先机。一股石墨烯研究热潮在全世界范围悄然升温,其商业化过程中存在的问题也层出不穷地浮出水面。
当“石墨烯”仅是石墨烯
曼彻斯特大学副校长Colin Bailey称:“石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用,从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。”科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。这里提到的石墨烯,究竟是何方神圣?它真的能带来颠覆吗?
石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料。它的透光率高达97.7%,几乎完全透明;导热系数高达5300W/m˙K,高于碳纳米管和金刚石;常温下其电子迁移率超过375000px2/V˙s,高于硅晶体;而电阻率只有10-8Ω˙m,比银更低,为世上电阻率最小的材料。如此看来石墨烯可谓实至名归。
“石墨烯最有可能在新能源电池、电子设备和航空航天领域实现商业化应用”,基于目前已有的研究成果,中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春做出如此预测。他同时表示:“2015年将成为中国石墨烯产业爆发的元年,今年以石墨烯为添加剂的锂电池有望最早实现产业化生产。”
同时,石墨烯在电子领域也大显神威。备受瞩目的可弯曲屏幕或将成为未来移动设备显示屏的发展趋势,届时作为基础材料的石墨烯将前途无量。有数据显示2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片。到2015年,平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片,这为石墨烯的应用提供了广阔的市场。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲 显示屏,我国重庆墨烯科技有限公司更是先其他国家一步实现石墨烯手机的量产。
石墨烯在航天军工领域的应用优势也极为突出,它的高导电性、高强度、超轻薄等特性弥补了传统材料的缺陷。美国NASA已开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。同时,石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。
当“石墨烯 ”不只是石墨烯
正是看到了石墨烯的应用前景,许多国家纷纷成立石墨烯相关技术研发中心,尝试使石墨烯商业化,进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用产权。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”,设立专项研发计划,将在10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI),力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。
目前全球已有超过200个机构和1000多名研究人员从事石墨烯技术的开发和研究,其中不乏三星、IBM等科技巨头,也有中国的新兴科技企业。经过几年发展,我国石墨烯产业基本形成以江苏省为聚合区,其它多地碎片化存在的产业格局。其中,仅常州市就有石墨烯原料制备及应用领域企业33家,高新技术企业16家。常州二维碳素科技有限公司于2013年建成国内首条年产3万平方米石墨烯透明导电薄膜生产线,成为全球首家拥有独立知识产权、率先实现石墨烯手机触摸屏生产的企业。而常州第六元素材料科技股份有限公司2013年开发出国内首条大规模、全自动粉体石墨烯生产线,在提高产能的同时大大降低石墨烯价格,让石墨烯大规模工业化应用成为可能。
产业发展亮点频现的同时,也折射出产业泡沫化的隐忧。石墨烯巨大的商业价值激起了政企的投资热情,以致大量资金迅速涌入石墨烯领域,行业规模空前膨胀。中科院院士刘忠范认为,国内的石墨烯研究存在太多急功近利的行为。在巨大发展前景面前,谁都不愿放弃唾手可得的利益空间,一些与石墨烯毫无关联的草根企业甚至也改头换面加入研发大军。在石墨烯科研进展缓慢的当下,这种火热程度恐怕归根结底是资本炒作在作祟。这里也似乎折射着当年造船热和光伏热的缩影,有企业家的盲目,也有地方政府的GDP冲动。“一窝蜂而上的结果必定是一窝蜂而下”,刘忠范如是说。如果商业领域一味夸大其神奇之处,可能会导致石墨烯产业变成泡沫,一旦破裂,那么也许技术和工业的进展也无法拯救它。
“中国石墨烯产业研究在各行各业均产生了一些实验室成果,不少研究成果已经开始触摸到了应用层面。但在光伏、微芯片等高端产业,还存在着由于技术门槛高、投入资金巨大、应用企业合作等问题,目前多数处于实验室阶段和计划阶段,无法实现产业化生产。”正如李义春所说,石墨烯作为一个刚刚兴起、远不成熟的行业,虽是资本市场的热门概念,但上游强下游弱、重科研轻应用、噱头多实干少等现实已成为产业发展亟须突破的瓶颈。为此我国应引入合理的政策导向和行业标准,避免在国际竞争中先发而后至。