鉅大LARGE | 點擊量:826次 | 2018年11月22日
新材料電池產業的先導:石墨烯
自從英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)二人因為“二維石墨烯材料的開創性實驗”共同獲得2010年諾貝爾物理學獎之后,任何與石墨烯有關的新聞或者研究成果都受到了人們極大的關注。
最近兩年,石墨烯相關產業在國內也是如火如荼,尤其是石墨烯制備生產企業,如雨后春筍一般。國際上當然也沒閑著,比如一則轟動性的新聞報道宣稱:西班牙Graphenano公司(一家工業規模生產石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學合作研究出全球首個石墨烯聚合材料電池,儲電量是目前市場最好產品的3倍,用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里,而充電時間不到8分鐘。
石墨烯從2004年首次被分離出來,2010年石墨烯發現者獲得諾貝爾獎后為大家所熟知,到今天只有短短十幾年的時間。盡管全球石墨烯產業目前尚處于早期階段,但由于公眾對石墨烯新材料的熱捧,導致石墨烯產業虛火過旺,呈現出了“忽如一夜春風來,千樹萬樹梨花開”的虛假繁榮景象。
特別是一些石墨礦資源相對豐富的地區,更是把石墨礦混同于石墨烯,把發展石墨烯產業視為當地經濟轉型升級的“靈丹妙藥”,紛紛規劃建設石墨烯產業園。
毋庸置疑,石墨烯作為新材料產業的先導,在帶動傳統制造業轉型升級,培育新興產業增長點,推動大眾創業、萬眾創新的作用越來越顯著。在國家政策引導下,各地紛紛布局石墨烯。目前,我國石墨烯全產業鏈雛形初現,覆蓋從原料、制備、產品開發到下游應用的全環節,已基本形成以長三角、珠三角和京津冀魯區域為集合區,多地分布式發展的石墨烯產業格局。2016年,我國石墨烯市場總體規模突破40億元,已形成新能源領域應用、大健康領域應用、復合材料領域應用、節能環保領域應用、石墨烯原材料、石墨烯設備六大細分市場。
但是,熱鬧的背后是亂象,一時的繁華帶來的只有永久的傷痛。不能不提的是,當前我國的石墨烯產業仍面臨一些深層次問題,基礎研究能力薄弱,缺乏龍頭企業帶動,上下游企業脫節,產業鏈不成熟,資本市場過度透支石墨烯概念,行業標準缺失等,都嚴重制約了我國石墨烯產業的健康可持續發展。
據統計,目前國內已建成或在建的石墨烯產業園、石墨烯創新中心、石墨烯研究院等已超過40家,有2000多家企業從事石墨烯原材料和產品的研發,而且這個數字仍在逐步增長。
當前國內轟轟烈烈的大躍進式的“石墨烯運動”是不可取的。未來的石墨烯產業將是建立在石墨烯材料的殺手锏級的應用基礎之上,而不是作為一個萬金油式的添加劑。當前,國內市場上的一些產品,包括服飾、涂料、復合材料、吸附潤滑產品,以及石墨烯鋰電、石墨烯手機觸摸屏等,代表著我國目前研發石墨烯的主流產品,應該說在國際上是處于第一方隊。
但與國外相比,我們仍然有所滯后,歐盟石墨烯旗艦計劃去年10月啟動了17個新的石墨烯研究項目,他們關注的是石墨烯的超級汽車、物聯網傳感器、可穿戴設備和健康管理、數據通信、能源技術以及復合材料等前沿未來的領域。
石墨烯鋰電?
什么是石墨烯?先來看看維基百科的定義:“石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;導熱系數高達5300W/m·K,高于碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s,又比納米碳管或硅晶體高,而電阻率只約10-8Ω·m,比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料。”
當前“石墨烯電池”這一名詞很火熱。事實上,國際鋰電學術界和產業界并沒有“石墨烯電池”這個提法。筆者搜索維基百科,也沒有發現“graphenebattery”或者“grapheneLi-ionbattery”這兩個詞條的解釋。
根據美國Graphene-info這個比較權威的石墨烯網站的介紹,“石墨烯電池”的定義是在電極材料中添加了石墨烯材料的電池。這個解釋顯然是誤導。根據經典的電化學命名法,一般智能手機使用的鋰離子電池應該命名為“鈷酸鋰-石墨電池”。之所以稱為“鋰離子電池”,是因為SONY在1991年將鋰離子電池投放市場的時候,考慮到經典命名法太過復雜一般人記不住,并且充放電過程是通過鋰離子的遷移來實現的,體系中并不含金屬鋰,因此就稱為“Lithiumionbattery”。最終“鋰離子電池”這個名稱被全世界廣泛接受,這也體現了SONY在鋰電領域的特殊貢獻。
目前,幾乎所有的商品鋰離子電池都采用石墨類負極材料,在負極性能相似的情況下,鋰離子電池的性能很大程度上取決于正極材料,所以現在鋰離子電池也有按照正極來稱呼的習慣。比如,磷酸鐵鋰電池(BYD所謂的“鐵電池”不在筆者討論范疇)、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元電池等,都是針對正極而言的。
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