鉅大LARGE | 點擊量：545次 | 2019年04月12日
劍指鋰電池和超級電容 石墨烯的五大應用分析
石墨烯自2004年被英國曼徹斯特大學兩位科學家發現后，很快因其強度高、韌性好、重量輕等眾多驚人的優良性能而被世人關注。2010年，兩位科學家因該發現而被授予諾貝爾物理學獎。近十年來，有關石墨烯的研究炙手可熱，石墨烯也因其在能源、生物技術、航天特種等領域具有極其廣泛的應用前景而被認為是“具有革命性意義的材料”、“二十一世紀的材料之王”。有專家預計，未來5至10年，全球石墨烯產業規模將超過1000億美元。
根據相關研究報告，石墨烯（Graphene）是一種由C原子經sp2電子軌道雜化后形成的蜂巢狀的準二維結構，是C元素的另外一種同素異形體。與其他新材料相比，石墨烯具有眾多優良的特點，如載流子遷移率高、電流密度大、強度高、導熱率高、超薄超輕超硬，同時具有高性能傳感器、可強化電子輸送、催化劑、吸氫、雙極半導體、無散熱傳輸等功能。由于石墨烯的性能優良、功能眾多而被廣泛應用到鋰電子電池、超級電容、導電油墨、觸摸屏、軟性電子、散熱、涂料、傳感器等領域，此外，在高頻電子、環保、光電、聚合物、海水淡化、太陽能電池、燃料電池、催化劑、建筑材料等領域，也能發現石墨烯的身影。有專家預計，未來幾年內，石墨烯將主要用于“導電油墨”、“防腐涂料”、“散熱材料”、“鋰電池”、“超級電容”等五大領域。
領域一：導電油墨
導電油墨是用導電材料制成的油墨，具有一定程度導電質，可作為印刷導電點或導電線路之用。近年來在手機、玩具、薄膜開關、太陽能電池、遠紅外發熱膜以及射頻識別技術等行業中應用越來越廣泛。過去數十年，導電油墨最大的下游是太陽能電池以及顯示器件。未來包括觸摸傳感器及其電極、RFID以及電子紙張的應用也將同時保持增長。
石墨烯導電油墨具有強大優勢，發展前景看好。導電油墨屬于填充型復合材料，是印刷與燒結處理后具有導電性能的油墨。石墨烯應用在油墨的優勢主要有兩點：一是兼容性強，石墨烯油墨可在塑料薄膜、紙張及金屬箔片等多種基材上實現印刷；二是性價比高，與現有的納米金屬導電油墨相比，石墨烯油墨具有較大的成本優勢。
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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由于石墨烯的良好性能，其制成的油墨具有電阻小、導電性強以及光學透明性高等特點，在各類導電線路以及傳感器、無線射頻識別系統、智能包裝、醫學監視器等電子產品中有廣泛應用。2015年導電油墨的產量也已達到80萬噸。預計到2015年導電油墨產量將達到130萬噸，隨著石墨烯的生產技術成熟、成本降低，石墨烯導電油墨將逐漸占據市場份額。預計到2020年導電油墨領域石墨烯應用市場規模達到2億元。
領域二：防腐涂料
目前國內防腐涂料消費量近180萬噸，占世界防腐涂料總消費量的40%以上。我特種腐涂料需求主要集中在船舶、石油化工、橋梁、集裝箱等領域。涂料中添加石墨烯后，石墨烯能夠形成穩定的導電網格，有效提高鋅粉的利用率，從實際效果來看，添加約5%的石墨烯粉，可減少50%鋅粉的使用量。同時，石墨烯涂層能在金屬表而與活性介質之間形成物理阻隔層，對基底材料起到良好的防護作用。
近年石油化工、鐵路交通、新能源、基礎設施建設等更是蓬勃發展，為防腐涂料提供了廣闊的市場空間。我國石墨烯新型防腐涂料，已于2015年3月20日在江蘇道森新材料有限公司成功研發，并已應用于海上風電塔筒的防腐，近來已有很多企業均開發出相關產品并在各類防腐領域應用。未來石油化工、鐵路交通、新能源、基礎設施建設等更是蓬勃發展，為防腐涂料提供了廣闊的市場空間。預計到2020年防腐涂料領域石墨烯應用市場規模達到5~8億元。
領域三：散熱材料
電子和光子器件的散熱是影響電子技術發展的主要問題，手機、電腦、微型電路等設備的散熱主要通過各類散熱片來解決。目前，市場中的電子產品的散熱片主要是石墨散熱片。但是，石墨烯導熱片的導熱快、可折疊等性能要遠遠優于石墨片，極佳的散熱材料如熱導纖維、熱導塑料等，并且技術難度小、工藝相對成熟，存在快速進入市場的機會。尤其在智能手機領域，手機要求輕薄、便攜，未來要求可折疊，因此石墨烯導熱膜具有極大優勢。預估未來采用石墨烯散熱膜進行散熱的散熱組件占總電子產品及LED產品市場的10%，即可為石墨烯散熱膜帶來15-20億左右的市場空間。
領域四：鋰電池
石墨烯在鋰離子電池中的應用比較多元化，目前已經實現商業化的是用在正極材料中作為導電添加劑，來改善電極材料的導電性能，提高倍率性能和循環壽命。目前比較成熟的應用是將石墨烯制成導電漿料用于包覆磷酸鐵鏗等正級材料。正極用包覆漿料目前主要包括石墨漿料、碳納米管漿料等，隨著石墨烯粉體、石墨烯微片粉體量產、成本持續降低的情況下，石墨烯漿料將呈現更好的包覆性能。石墨烯漿料將隨鋰電池增長而穩步上升。鋰離子電池主要應用于手機、筆記本電腦、攝像機等便攜式電子器件等方面，并積極地向電動力汽車等新能源汽車領域擴展，具有長期發展前景。
由于石墨烯對于電池性能有諸多提升作用，對動力電池性能要求的不斷提升必將拉動石墨烯在電池領域的發展。同時石墨烯電池行業規模有望充分受益于動力電池的放量，分享新能源汽車行業的增長。
領域五：超級電容
石墨烯的電導率高、比表而積大、且化學結構穩定，表而更有效的釋放，有利于電子的滲透和運輸，更加適合作為超級電容器電極材料。目前，我國已經實現石墨烯超級電容器的投產，技術上已經完全可以實現石墨烯超級電容器的生產。
根據美國IDTechEx公司報告，全球超級電容器市場將從2013年的8億美元增長到2018年的31.3億美元，年復合增長率達到30.2%。而石墨烯基超級電容器的產業化也在不斷推進：在國內，中國中車研發的3伏／12000法拉石墨烯／活性碳復合電極超級電容和2.8伏／30000法拉石墨烯納米混合型超級電容已經獲得中國工程院鑒定，整體技術達到目前世界超級電容單體的最高水平。根據測算，2016年中國超級電容器市場規模將突破30億元，預計2020年中國超級電容器市場規模將超過60億元。石墨烯在超級電容市場潛在應用規模達到3~5億元。
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