中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：石墨烯是目前最為耀眼的前沿材料，是科技界和市場追逐的熱點(diǎn)。在這場石墨烯的角逐中，中國科技界的表現(xiàn)有驚喜，更有似曾相識(shí)的不足。
相比美、韓，中國有其明顯缺點(diǎn)。美國有富有活力的科研體系，高水準(zhǔn)的成果和領(lǐng)軍人才批量涌現(xiàn)；美國還有專業(yè)高效的科技風(fēng)投。兩相結(jié)合，成就了今日美國科創(chuàng)的優(yōu)勢。反觀中國，半封閉的科研體系正在改革，科技成果的產(chǎn)業(yè)化正在摸索，科技工作者的考核和激勵(lì)機(jī)制還未走上正途。
韓國基本走過了初級(jí)模仿的階段，科研體系可以和歐美對接，可以吸納高水準(zhǔn)海外技術(shù)人員。同時(shí)，韓國大型企業(yè)找到了自己的科創(chuàng)之路，在一些關(guān)鍵領(lǐng)域展露鋒芒。韓國政府在大型科研項(xiàng)目的組織上展現(xiàn)出其專業(yè)性。反觀中國，科研體系還有制度性障礙，無法吸引全球性人才，官產(chǎn)學(xué)研還未理順，地方政府對科技的投入還處于無序的“縣域競爭”階段。
不過形勢也不是一片灰暗，中航已經(jīng)找到了適合自己的研發(fā)模式，而且我們有基數(shù)龐大的科學(xué)家和科技企業(yè)，制度變革也正在發(fā)生著。同時(shí)，石墨烯這類顛覆性的科研命題的競賽，注定是一場長跑，我們還有時(shí)間。
目前石墨烯在鋰電池的應(yīng)用只有百分之零點(diǎn)幾的添加劑，沒有一家企業(yè)能真正有產(chǎn)品推出來。
從沒有哪個(gè)新材料有過石墨烯這樣的風(fēng)頭，它出現(xiàn)在任何行業(yè)都會(huì)被視為潛在顛覆者。
石墨烯由單層碳原子以sp2雜化軌道組成的平面薄膜，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)原子厚，被視為二維材料，是我們?nèi)S世界中的異數(shù)。拜結(jié)構(gòu)特殊之賜，石墨烯是目前最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)電性能最好的材料，如果愿意，這個(gè)清單可以開列很長。由此，石墨烯在儲(chǔ)能、集成電路等領(lǐng)域被寄予厚望。
石墨烯自問世以來一直很有熱度，去年的兩則新聞把這種熱度推上頂峰：特斯拉CEO馬斯克表示，采用了石墨烯的特斯拉汽車，很快能行駛805公里，相比目前電池能量密度增長近70%；西班牙科爾瓦多大學(xué)表示研究出首例石墨烯聚合材料電池，可使得電動(dòng)車最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。充電一次可以跑500-600公里。
如果石墨烯在儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)揮這么大的作用，則困擾電動(dòng)車的諸多瓶頸一舉突破，新能源時(shí)代觸手可及，將大大改寫目前的能源格局，其重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。資本市場聞風(fēng)而動(dòng)，各種概念股漫天飛舞。但是，圍繞這一點(diǎn)，爭議尤為激烈。很多專業(yè)人士斥石墨烯為概念炒作，認(rèn)為至少在目前，石墨烯所能發(fā)揮的作用被遠(yuǎn)遠(yuǎn)地夸大，尤其它在儲(chǔ)能領(lǐng)域的作用微乎其微。
不過爭議不妨礙對石墨烯的巨資投入，2013年歐盟委員會(huì)拿出10億歐元研究石墨，英國已投入1.21億英鎊資助曼徹斯特大學(xué)研究石墨烯，韓國知識(shí)經(jīng)濟(jì)部將向石墨烯領(lǐng)域提供2.5億美元的資助。在中國更是熱得發(fā)燙，重慶、江蘇常州、浙江寧波已經(jīng)出現(xiàn)了規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)園區(qū)。2012年，工信部在新材料“十二五”規(guī)劃中將石墨烯列入前沿材料目錄。國家自然科學(xué)基金委在2007-2013年期間 資助了1096項(xiàng)與石墨烯有關(guān)的基礎(chǔ)研究計(jì)劃。科技部圍繞石墨烯的制備、工藝、材料等方向支持了一批重大專項(xiàng)和科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目。
高難度的制造工藝
各方重金投入，除了看好其前景，也因?yàn)槭┦莻€(gè)燒錢的難題。在討論石墨烯如何應(yīng)用于電池之前，獲得合格石墨烯產(chǎn)品是第一關(guān)。石墨烯的獨(dú)特結(jié)構(gòu)是把雙刃劍，給它帶來優(yōu)異特性的同時(shí)，為其產(chǎn)業(yè)化帶來了很多很多難點(diǎn)，為下游產(chǎn)品的制造增加了難度。
二維材料之前從來沒有獲得過，石墨烯只是科學(xué)家的一個(gè)假想，但在2004年，這個(gè)假想由英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫?qū)崿F(xiàn)，他們從石墨中分離出石墨烯，兩人也因此獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，后來曼徹斯特大學(xué)的石墨烯研究項(xiàng)目獲得了英國大筆資助。
他們的制造方法很巧妙，由于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)原子層之間的結(jié)合力相對微弱。若兩塊石墨相互摩擦，就會(huì)有一片石墨（包含很多層）被整體剝離。這個(gè)特性給了科學(xué)家們靈感，他們想到用“透明膠法”制造二維的石墨烯：如果用足夠強(qiáng)力的透明膠粘住石墨層的兩個(gè)面，然后撕開，使之分為兩片，較其本體就薄了很多，然后不斷重復(fù)如上剝離，直到獲得只有一層原子厚的石墨烯。這是個(gè)復(fù)雜工程，因?yàn)?毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬層石墨烯。
在現(xiàn)實(shí)操作中，他們用了光束、電子束和原子力顯微鏡等設(shè)備來操作，遠(yuǎn)非描述的這樣簡單。這一技術(shù)幾乎對具有片層狀結(jié)構(gòu)的材料都一樣適用，他們還成功剝離了氮化硼和幾種二硫化物的二維晶體。
“這種方法能獲得目前最好的產(chǎn)品，但這種方法的難度太大，成本太高，限制了其批量制造的前景?！敝锌圃荷虾Ｎ⑾到y(tǒng)所（下稱中微所）的姜達(dá)研究員對《東方早報(bào)·上海經(jīng)濟(jì)評(píng)論》記者說，他的小組正在從事石墨烯的基礎(chǔ)研究。記者在其實(shí)驗(yàn)室對他進(jìn)行了采訪，姜達(dá)用電子顯微鏡展示了他們獲得的石墨烯，顯微鏡下，石墨烯的結(jié)構(gòu)隱約可見。
2014年12月姜達(dá)所在小組關(guān)于石墨烯超導(dǎo)的論文發(fā)表在Nature的子刊上，2015年3月12日，同一部門的唐述杰等人，在國際上首次通過引入氣態(tài)催化劑的方法實(shí)現(xiàn)石墨烯單晶在六角氮化硼表面的高取向快速生長。
據(jù)姜達(dá)介紹，“剝離獲得的石墨烯的質(zhì)量是最好的，但只能獲得非常小的一塊，所以在產(chǎn)業(yè)化中很難實(shí)現(xiàn)。不過，通過這種辦法獲得的石墨烯對于實(shí)驗(yàn)室中基礎(chǔ)研究是非常好的材料，石墨烯在常溫下的超高導(dǎo)電率，使得電子的傳輸及對外場的反應(yīng)都超級(jí)迅速，幾乎達(dá)到了人們夢寐以求的境界。具體在物理性質(zhì)上，即便很小一塊也對科研的幫助非常大，因?yàn)橐酝瑢?dǎo)現(xiàn)象是在極低溫下才能顯現(xiàn)，石墨烯卻能在高于液氮的溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。”
一個(gè)原子厚的二維材料可以在實(shí)驗(yàn)室獲得，但在生產(chǎn)線上批量獲得，即便有辦法，其成本也增加很多。而且在生產(chǎn)中，獲得的是單層和多層混合的產(chǎn)品，所以目前有很多機(jī)構(gòu)和研究者，把幾個(gè)原子層厚但低于5層的薄膜材料也稱為二維材料。這一點(diǎn)存在爭議，蘇州第一元素納米科技公司的董事長董明，在法國波爾多獲得材料博士學(xué)位，美國佐治亞理工學(xué)院的博士后，長期從事納米材料研究，在他看來，只要沒有做到單層碳原子層，就不能稱其為石墨烯，“單層和多層產(chǎn)品的化學(xué)結(jié)構(gòu)都不對，那它的性質(zhì)也就有很大差異，怎么能都叫石墨烯呢。不能因?yàn)樽霾怀鰜懋a(chǎn)品，就修改產(chǎn)品概念，那單層和多層干脆就是兩樣?xùn)|西。單層碳原子是以碳碳雙鍵結(jié)合，多層就是石墨鱗片了?！?
目前已經(jīng)有大量的企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化開始了嘗試。重慶墨?？萍加邢薰?，在2013年達(dá)到年產(chǎn)100萬片石墨烯薄膜。中國最大的石墨烯粉體生產(chǎn)線在常州第六元素材料科技股份有限公司投產(chǎn)。2014年，常州二維碳素科技有限公司的石墨烯薄膜生產(chǎn)線，達(dá)到10億平方米的產(chǎn)能。
姜達(dá)對目前石墨烯的產(chǎn)業(yè)化謹(jǐn)慎樂觀，“在我看來，國內(nèi)石墨烯領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)主要是清華和中科院，比如中科院寧波所、中科院金屬所等。做得較好的企業(yè)基本都是和這幾家科研機(jī)構(gòu)有合作。如寧波墨西科技、常州的第六元素、二維碳素等。這都是熱門公司，而且韓國、美國的大企業(yè)也在積極介入，但石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)不是一兩年可以看到的，同樣是碳族材料的碳納米管，1990年代初就被發(fā)現(xiàn)了，但是到現(xiàn)在也沒有像樣的東西出來，已經(jīng)慢慢被人遺忘了。樂觀點(diǎn)講，如果能解決材料質(zhì)量和成本，石墨烯離成功是不太遠(yuǎn)。不過還是要保持清醒，石墨烯雖然在實(shí)驗(yàn)室能取得很好的結(jié)果，但現(xiàn)在下游產(chǎn)品開發(fā)不太順利，在微電子方面的應(yīng)用也沒有成型的產(chǎn)品。如果下游材料沒有開發(fā)好，只要換一個(gè)材料，最終的產(chǎn)品線就要隨之改變很大?，F(xiàn)在需要很多人去做下游產(chǎn)品的開拓?！?
董明對石墨烯的產(chǎn)業(yè)化成果持批評(píng)態(tài)度，“有的公司宣稱生產(chǎn)了幾百噸，但我沒有看到一家真正拿出達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品?！?
目前在江浙有一大批民營企業(yè)進(jìn)入石墨烯行業(yè)，據(jù)浙江大學(xué)教授、浙江納米材料開發(fā)應(yīng)用協(xié)會(huì)秘書長關(guān)君正介紹，“目前產(chǎn)業(yè)上較為主流的做法是CVD化學(xué)沉降法和氧化還原法，其他方法不如這兩種。這兩種方法最有前途。但現(xiàn)在有很大的難題，由CVD法獲得的石墨烯不是一層原子，有好幾層，目前很多企業(yè)和機(jī)構(gòu)在集中攻關(guān)，如果這個(gè)問題不解決，石墨烯的質(zhì)量很差；而石墨烯氧化還原法相對容易一點(diǎn)，但污染很大，而且層數(shù)也不可控，同時(shí)，做出來的產(chǎn)品會(huì)在當(dāng)中出現(xiàn)缺口，像漁網(wǎng)一樣有一些空格?！?
姜達(dá)的同事，中微系統(tǒng)所的研究員丁古巧從事石墨烯的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)近三年了，主要從事石墨烯粉體的產(chǎn)業(yè)化研究。目前丁古巧兼任上海新池能源科技有限公司的技術(shù)總監(jiān)，在他看來，石墨烯產(chǎn)業(yè)的下游應(yīng)用還是處于前期，只能做一些小應(yīng)用，如生產(chǎn)羽毛球球拍之類的應(yīng)用，市場很小。
“我們已經(jīng)做了三年，2014年之前，我們只做原材料，后來正泰電器入股，現(xiàn)在我們自己做超級(jí)電容、電池的應(yīng)用。然后和下游企業(yè)合作，我們現(xiàn)在已經(jīng)開始做電子產(chǎn)品上的應(yīng)用。”
丁古巧透露，新池能源由正泰電器、中微所以及丁古巧團(tuán)隊(duì)三方組建，“出資方對未來三年的投入比較明確?！?
2014年12月浙江正泰電器股份有限公司公告稱，“出資1012.5萬元購買上海新池能源科技有限公司80%股權(quán)。新池能源主要從事石墨烯粉體的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)?！?
對于如何判斷哪家企業(yè)是真的在做石墨烯，丁古巧的標(biāo)準(zhǔn)很簡單，“如果企業(yè)不能參與市場競爭，不拿出產(chǎn)品，那就是騙人，他們的項(xiàng)目就有很大風(fēng)險(xiǎn)?！?
金路集團(tuán)是一家折戟石墨烯的上市企業(yè)，2014年12月22日，金路集團(tuán)發(fā)布公告，將其與中科院金屬研究所合作的石墨烯項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)成果以1848萬元的價(jià)格轉(zhuǎn)讓，引發(fā)了幾十名股民訴訟，持有金路集團(tuán)的股民認(rèn)為，金路集團(tuán)此舉存在利益輸送嫌疑。在此之前，金屬所在石墨烯領(lǐng)域是較早著手的院所，實(shí)力一直為外界所看好。而金路集團(tuán)的股價(jià)也一路看漲，從2014年年初的4.86元，到2014年年中漲到8.25元。因而在金路集團(tuán)突然宣布放棄石墨烯項(xiàng)目，自然引發(fā)反彈。
而金路集團(tuán)董秘劉邦洪則訴苦，“對于石墨烯這個(gè)行業(yè)，股民沒有我們接觸得深。烯碳公司2014年全年銷售還不夠一個(gè)人工資，實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)走到產(chǎn)業(yè)化還有很長的路，有很大的不確定性。很多機(jī)構(gòu)都沒有到現(xiàn)場去看，到現(xiàn)場看了有很大的差異?！?
目前石墨烯粉體材料已經(jīng)能夠在市場上銷售，它被應(yīng)用于涂料添加、防腐涂料。但董明覺得這些應(yīng)用和人們初期對石墨烯的高期望值相背離，“涂料是低端應(yīng)用，市場不大，即便如此它還是目前僅有的幾個(gè)可以推向市場的應(yīng)用。而之前石墨烯講的都是高大上的故事。要是真有成果，應(yīng)該會(huì)出來一個(gè)大企業(yè)把整個(gè)行業(yè)壟斷了。但現(xiàn)在只是大家看到了一個(gè)苗頭，有這個(gè)方向，很多人是跟著起哄的。”
雖然目前的粉體類的應(yīng)用比較基礎(chǔ)，但對于石墨烯企業(yè)意義重大，畢竟能夠產(chǎn)生現(xiàn)金流。常州第六元素材料科技股份有限公司（下稱第六元素）是較早進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)，其首席科學(xué)家朱彥武向記者介紹了第六元素的策略，“比較科學(xué)的路徑肯定先按市場需要來，先做相對明確和容易實(shí)現(xiàn)的，要先有造血功能?！?
朱彥武目前是中國科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系的教授，曾經(jīng)在美國得州大學(xué)奧斯丁分校進(jìn)行博士后研究，師從全球石墨烯領(lǐng)域領(lǐng)軍人物Rodney S Ruoff教授，Ruoff教授在金剛石、富勒烯、納米碳管和石墨烯領(lǐng)域成果豐碩。
朱彥武稱，第六元素已經(jīng)和Ruoff教授達(dá)成協(xié)議，Ruoff教授將和第六元素做一些緊密合作。
以上各種紛繁復(fù)雜的研發(fā)模式中，比較引人注目的是科學(xué)家們以院所為基地，再和企業(yè)進(jìn)行股份合作，甚至也有院所的科研團(tuán)隊(duì)和風(fēng)投直接合作。這顯然異于早先科學(xué)家完全離開院所下海創(chuàng)業(yè)的模式，大大降低了創(chuàng)業(yè)難度。
走入市場的石墨烯
石墨烯目前最接近量產(chǎn)且“高大上”的應(yīng)用是電子觸摸屏，電子觸摸屏由上下兩片石墨烯透明電極和中間規(guī)則排列的大量微小的絕緣體組成。手指壓按觸摸屏?xí)r，上下兩片石墨烯扭接觸到一起，產(chǎn)生電信號(hào)，手指離開，兩片石墨烯自動(dòng)分離。對這些電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)觸屏操作。2010年，韓國三星公司和成均館大學(xué)在研究一個(gè)63厘米寬的純石墨烯，并用該石墨烯制造了柔性觸摸屏。
采用這項(xiàng)技術(shù)的手機(jī)具有更好的觸控性能、更長的待機(jī)時(shí)間以及更優(yōu)的導(dǎo)熱性能。這也是一項(xiàng)很有難度應(yīng)用，對此姜達(dá)解釋稱，“在石墨烯材料制備出來后轉(zhuǎn)移到透明玻璃上，成為電極，由于石墨烯很薄，這個(gè)工藝很復(fù)雜，如果不太在意成本是可以做出來的，但要大規(guī)模推向市場，成本可能還是最主要的障礙?！?
中國企業(yè)在這方面也有所表現(xiàn)，兩個(gè)地方政府主推的石墨烯園區(qū)表現(xiàn)不俗。3月2日，重慶墨?？萍加邢薰荆ㄏ路Q重慶墨希）與嘉樂派（影馳）科技有限公司發(fā)布了石墨烯手機(jī)，重慶市長黃奇帆出席發(fā)布儀式。該手機(jī)采用5.5英寸石墨烯觸控屏，售價(jià)為2499元，僅售3萬部，購買需要事先預(yù)訂。嘉樂派是家電腦顯卡制造商。據(jù)重慶墨希宣稱，它們的石墨烯薄膜生產(chǎn)成本已從1000元人民幣/平方米下降至100元人民幣/平方米。
據(jù)公開資料，重慶墨希由上海南江(集團(tuán))有限公司與中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院共同出資成立。
關(guān)君正認(rèn)為，重慶墨希是國內(nèi)較有實(shí)力的石墨烯制造企業(yè)，排名應(yīng)該為國內(nèi)前三。這一說法也得到丁古巧的證實(shí)，“中科院重慶研究所可以做到大尺寸石墨烯。目前中科院重慶研究院已經(jīng)制備出國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，達(dá)到了國內(nèi)最高水平之列。國內(nèi)目前領(lǐng)先的公司有常州第六元素、寧波墨西科技、常州二維碳素，無錫格非等企業(yè)?！?
朱彥武稱，第六元素也已經(jīng)開始做手機(jī)的薄膜屏，“現(xiàn)在可以滿足曲面設(shè)備和柔性手機(jī)的要求，屏幕的大小不受限制了，4英寸、7英寸都可以做，要根據(jù)不同的訂單來切，整個(gè)膜可以做到A4紙那么大，若有需要還可以做更大?！敝劣趦r(jià)格，朱彥武表示，根據(jù)不同需要，在面膜上加了電路、模組，具體價(jià)格各異。
重慶是石墨產(chǎn)業(yè)重鎮(zhèn)，其石墨烯產(chǎn)業(yè)已完成基礎(chǔ)薄膜材料、智能終端產(chǎn)業(yè)鏈等項(xiàng)目布局。在重慶石墨烯產(chǎn)業(yè)園，已有多家涉及智能終端、顯示觸控、鋰電池、合金材料的企業(yè)落戶。黃奇帆在2014年曾稱，到2020年，重慶將實(shí)現(xiàn)新材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)到1000億元人民幣以上規(guī)模。
中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院稱，下一步重點(diǎn)瞄準(zhǔn)人體健康監(jiān)測、可穿戴式智能設(shè)備、智能傳感設(shè)備、石墨烯柔性傳感器等。
江蘇常州是另外一大石墨烯重鎮(zhèn)，3月13日，常州國家石墨烯新材料高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地正式獲批并落戶常州西太湖科技產(chǎn)業(yè)園。這是全國首個(gè)“國字號(hào)”石墨烯產(chǎn)業(yè)化基地。園區(qū)內(nèi)已有石墨烯相關(guān)企業(yè)25家,初步形成石墨烯產(chǎn)業(yè)集群。西太湖科技產(chǎn)業(yè)園所處的武進(jìn)區(qū)，已累計(jì)投資石墨烯相關(guān)平臺(tái)載體及產(chǎn)業(yè)化服務(wù)設(shè)施建設(shè)超過20億元。
其中的江蘇二維碳素與上海中微所有很多交流，據(jù)丁古巧介紹，該公司去年賣出了價(jià)值千萬的石墨烯膜材料，可以用到腕表等智能可穿戴設(shè)備上，“柔性材料國外已經(jīng)做得很好了，國內(nèi)也已經(jīng)有很好的進(jìn)展，陸續(xù)有產(chǎn)品出來。內(nèi)部消息已經(jīng)拿到了很大訂單，產(chǎn)品線已經(jīng)有一些了。”
相較于江、浙、重慶地方政府的大手筆投入，上海在石墨烯方面顯得較為冷靜，丁古巧笑著說，“沒有辦法，上海的院所太多，人才太多，大家都有實(shí)力，哪個(gè)學(xué)科都重要，也有很多有潛力的項(xiàng)目，政府該重點(diǎn)支持哪個(gè)？所以上海的態(tài)度不像其他地方那么激進(jìn)，對重點(diǎn)項(xiàng)目有必要的支持，但不會(huì)像外地那樣壓上很多資源。像寧波就那么幾個(gè)團(tuán)隊(duì)，只要政府支持，一下就可以投入上億，那就很厲害了?！钡」徘蓪σ恍└L(fēng)企業(yè)的未來不看好，“太多企業(yè)盲目跟風(fēng)了，很多民營企業(yè)不懂，一下投入幾億，但短期無法見效，這時(shí)候錢投太多反而成為壓力，資金成本太高，可能會(huì)遇到問題。今年肯定要死掉一大批企業(yè)，但總有一些可以出來。目前粉體類的產(chǎn)業(yè)化比較順利，很多公司已經(jīng)開始賣粉體賺錢了?！痹谥形⑺年惲惺依飻[放著一瓶瓶石墨烯黑色粉末，拿在手中輕如無物。據(jù)介紹，這么一大瓶粉體只有幾克。
此外，據(jù)董明介紹，中航集團(tuán)的材料研究所的石墨烯研究成績不俗，“他們的單層石墨烯拿到了大直徑的膜，是用合成的手段做出來的?！?
2013年2月21日《中國航空報(bào)》中航工業(yè)航材院宣布，已突破制備大尺寸、高質(zhì)量石墨烯薄膜的技術(shù)難題，掌握了襯底材料表面晶粒定向受控生長和化學(xué)氣相沉積（CVD）反應(yīng)氣體分壓配比等關(guān)鍵專利技術(shù)，在銅箔表面制備出超過12英寸的石墨烯薄膜；更大尺寸的石墨烯薄膜制備技術(shù)也已突破，近期將批量生產(chǎn)，使大尺寸、高質(zhì)量石墨烯薄膜的工程化制備成為現(xiàn)實(shí)，標(biāo)志著石墨烯制備進(jìn)入了“膜時(shí)代”。
4年前從美國歸國的燕紹九博士是中航工業(yè)航材院石墨烯及應(yīng)用研究中心核心成員，他在石墨烯增強(qiáng)金屬納米復(fù)合材料的研究被中航集團(tuán)譽(yù)為“中國發(fā)明、世界領(lǐng)先”，而廣為宣傳。記者對航材院石墨烯團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了采訪，據(jù)他們介紹，中航院解決了反應(yīng)源氣體與載氣分壓配比、CVD反應(yīng)室爐溫均勻性、轉(zhuǎn)移介質(zhì)和載體匹配性、目標(biāo)物與石墨烯薄膜兼容性等四大難題。并能在使用石墨烯膜時(shí)保證其完整性、潔凈度和其他產(chǎn)品性能。對石墨烯薄膜層數(shù)進(jìn)行單層、多層或混合層的結(jié)構(gòu)控制，實(shí)現(xiàn)了大尺寸、高質(zhì)量石墨烯薄膜批量化生產(chǎn)。目前他們的石墨烯薄膜產(chǎn)能每天可達(dá)數(shù)百片?！霸?015年1月28日召開的基礎(chǔ)院2015年度工作會(huì)上，石墨烯制備與應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)榮獲基礎(chǔ)院2014年度‘科技創(chuàng)新獎(jiǎng)’。”
石墨烯電池雞肋之爭
相對于石墨烯手機(jī)屏幕和粉體材料，石墨烯在鋰電池領(lǐng)域才是有終極幻想的重量級(jí)應(yīng)用，也是股市重度炒作的概念，但同時(shí)也是目前更具爭議的話題。丁古巧認(rèn)為，“這個(gè)行業(yè)要想做大，還是要做有高附加值的產(chǎn)品，石墨烯的重量級(jí)應(yīng)用是鋰離子電池和超級(jí)電容，因?yàn)殡姵夭少徤炭梢匀萑梯^高的價(jià)格，市場容量也大。在這里才可以有大市場。”
不過，對于西班牙科爾瓦多大學(xué)宣稱的成果，丁古巧態(tài)度謹(jǐn)慎，“那只是實(shí)驗(yàn)推算，真正要做到這一點(diǎn)有很大的難度。”
但他還是看好石墨烯在鋰電池應(yīng)用方面的前景“特斯拉的表態(tài)很重要，他們已經(jīng)拿到了實(shí)物，能跑400-500公里，當(dāng)然量產(chǎn)的結(jié)果不好說。但這是很重要的標(biāo)志性事件。畢竟特斯拉是有世界性影響力的企業(yè)”。
在鋰電池復(fù)合材料方面，丁古巧透露寧波墨西科技有限公司的投入很大，有一定進(jìn)展，“他們是由中科院出來的一撥人創(chuàng)立的。但下游產(chǎn)品開發(fā)的門檻較高，我們也開始了電池方面的材料研發(fā)，已經(jīng)有原材料給下游的企業(yè)使用了，效果還不錯(cuò)?！?
記者采訪了一家為比亞迪和其他電池制造商供應(yīng)石墨烯材料公司的李姓負(fù)責(zé)人，他對記者稱，目前石墨烯在鋰電池的應(yīng)用只有百分之零點(diǎn)幾的添加劑，石墨烯要想成為主流材料是有一些可能，但目前沒有一家企業(yè)能真正有產(chǎn)品推出來。即便如此，就有很多公司敢說自己在做石墨烯電池。他的公司有一些產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入中試階段，但他并不悲觀，“估計(jì)今年開始石墨烯產(chǎn)品會(huì)進(jìn)入走量階段?！?
為弄清楚動(dòng)力電池新材料研究的熱點(diǎn)，記者采訪了汽車技術(shù)供應(yīng)商巨頭博世中國技術(shù)與研究中心的高級(jí)經(jīng)理張敬君博士，他目前負(fù)責(zé)博世中國的新能源電池研究，他說：“目前動(dòng)力電池的正極材料的熱點(diǎn)聚焦于磷酸鐵鋰、三元材料、NCA（超級(jí)電池）。其中磷酸鐵鋰不導(dǎo)電，只有把石墨烯做成納米材料包到磷酸鐵鋰上才可以導(dǎo)電，才能有很好的功率。同時(shí)想辦法增加電池的導(dǎo)電率，充放電較快。但是這個(gè)方案有技術(shù)難點(diǎn)，石墨烯要包得很好，使用的材料要少，還要使電池有更大的容量?！?
張敬君認(rèn)為，目前主流的三元材料電池主要的努力方向是降低鈷的含量，因?yàn)殁捄苜F?，F(xiàn)在已經(jīng)有很大的進(jìn)展，起初，三元電池中鋰、鈷、鎳三者之比為1：1：1，后來這個(gè)比例是5：2：3，到現(xiàn)在做得最好的能達(dá)到8：1：1。鋰電池負(fù)極材料的研究熱點(diǎn)是硅材料如何替代石墨，這樣可以獲得很高的容量，理論上可以達(dá)到現(xiàn)在電池容量的10倍左右，但目前實(shí)際上只有2倍左右，而且大部分和硅與石墨在一起混用。
在張敬君看來，目前石墨烯對動(dòng)力電池的貢獻(xiàn)不足，只能用作導(dǎo)電添加劑，原來導(dǎo)電添加劑需要電池總重量的2%左右，現(xiàn)在只需要0.5%的石墨就可以了，而且充電速率也更快。但用量實(shí)在太少。
“不管三元材料還是磷酸鐵鋰把石墨烯包上去都不好操作。石墨烯在其他地方可能會(huì)有突破，但是在鋰電池上的應(yīng)用，我覺得前途不大，因?yàn)槭┦遣荒軆?chǔ)鋰電子，或說儲(chǔ)存得很少?！?
對于特斯拉或西班牙高校的研究成果的傳聞，張敬君認(rèn)為石墨烯在超級(jí)電容器上應(yīng)用是可以的，但容量密度沒有宣稱的那么大，可以使得電池的功率很大。不要鋰離子進(jìn)入材料內(nèi)部，只要吸附在材料表面就可以，所以石墨烯在電容器上應(yīng)用是可以的，充放點(diǎn)的速率較高。
在他看來，用了碳納米管或石墨烯，加快電池放電速度不難實(shí)現(xiàn)，但是充電有問題，石墨本身性質(zhì)限制了鋰離子，添加了電子導(dǎo)體，并沒有鋰離子，不能明顯改善碳負(fù)極的效果，但是能增加導(dǎo)熱性能，有可能讓熱傳導(dǎo)編號(hào)，降低電池充電溫升有幫助，要改善充電還要對電池負(fù)極也做出改變，僅僅添加導(dǎo)電材料不行。
對于西班牙高校獲得的高速充電的成果，董明則從電站符合承載的角度認(rèn)為難以成為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，他做了一道簡單電站充放的推算，“如果按其宣稱，充一次電跑1000公里，在車的輕量化做得不錯(cuò)的前提下，需要消耗150度電，也就是150千瓦小時(shí)，假如充電效率是100%，如果用六七分鐘充滿，就要大約1500千伏安的充電機(jī)組，如果在上海有很多輛車同時(shí)充電，上海的電網(wǎng)就癱瘓了?！?
對于石墨烯對提升鋰電池導(dǎo)電率，董明認(rèn)為在原理層面有說不通的地方，“電池的導(dǎo)電速度是鋰離子決定的，如果想快充電，需要把鋰離子電導(dǎo)率和石墨電子電導(dǎo)率同時(shí)提高，如果添加石墨烯增加了電子電導(dǎo)率，但是沒有增加鋰離子的電導(dǎo)率，快充是不可能實(shí)現(xiàn)的。電子和鋰離子的傳導(dǎo)率要相平衡，如果電子跑得快，鋰離子跑得慢就比較安全，要是反過來，就有安全隱患，會(huì)造成電極短路。所以說電池非常復(fù)雜，要相互匹配，不是說僅僅加一點(diǎn)石墨烯就能讓電池性能大大提高?！?
董明稱：“石墨烯在電池里的用量不過總重量的2%，這個(gè)量不能讓任何一家企業(yè)吃飽飯。我一直關(guān)注導(dǎo)電添加劑，經(jīng)過我的調(diào)研，三五年內(nèi)，它只能是個(gè)故事 ，我覺得碳管還是更有利一些，因?yàn)槿毡镜奶技{米管在電池上的應(yīng)用是每年百噸、千噸級(jí)別的，碳納米管在國內(nèi)也有幾十噸級(jí)別的應(yīng)用。另外成本相對較低，價(jià)格較低，很多企業(yè)是用得起的，也有一定效果，也不限于電池，在橡膠、陶瓷、合金等材料都有應(yīng)用?！?
記者最后采訪了在韓國的Ruoff教授，對于產(chǎn)業(yè)化以及關(guān)于特斯拉等問題，這位石墨烯領(lǐng)軍人物沒有正面回答，不過他的表態(tài)值得玩味，他表示他看好石墨烯在油墨、石墨烯填充的聚合物、透明導(dǎo)電薄膜，類似塑料電子的導(dǎo)電基板，以及其他一些高強(qiáng)度的應(yīng)用，并未提及石墨烯在鋰電池方面的應(yīng)用前景。他還表示，許多科學(xué)家都在石墨烯薄片，氧化石墨烯薄片，還原石墨烯薄片和其他化學(xué)改性石墨烯薄片在不同有機(jī)溶劑中的分散液制備方面取得了進(jìn)展。
同時(shí)記者聯(lián)系上了正跟隨Ruoff教授做博士后研究的中國留學(xué)生張旭，據(jù)他介紹，在Ruoff教授的指導(dǎo)下，他們開始嘗試合成出沒有報(bào)道過的碳材料，完全新的碳結(jié)構(gòu)，也就是說已經(jīng)不是石墨烯了。“但Ruoff教授還是很關(guān)注石墨烯，我們的合成經(jīng)常要從石墨烯出發(fā)。”
誰能贏
對于中國企業(yè)在電池新材料方面的研發(fā)能力，張敬君表示看好，“中國的企業(yè)和機(jī)構(gòu)的電池材料的研究和海外相比較，不太落后，海外一旦有新東西做出來，國內(nèi)的企業(yè)或機(jī)構(gòu)會(huì)很快也做出來，可以做到技術(shù)跟隨?！?
他承認(rèn)這方面的研究美國是最強(qiáng)的，國內(nèi)企業(yè)沒有太充裕的資本和精力去做研究，反而高校有很多錢做材料研究，但做的成果是為了發(fā)文章，要是院所高校由企業(yè)去牽引，那效果就大不一樣了。
美國石墨烯研發(fā)力量之強(qiáng)，從記者所接觸的幾家較為突出的中國企業(yè)的科研帶頭人就可見端倪，大多數(shù)企業(yè)的領(lǐng)軍人物都是美國海歸，而且美國的石墨烯頂級(jí)科學(xué)家層出不窮，最近在網(wǎng)上遭到熱炒的浙大最年輕“博導(dǎo)”陸盈盈也是在美國康奈爾大學(xué)從事石墨烯相關(guān)研究。
和韓國相比，中國的石墨烯研究也不占上風(fēng)，張旭分析稱，“韓國有一些頂級(jí)的原創(chuàng)工作，發(fā)表在《Nature》或者《Science》上，而我們似乎缺乏。中韓差距不算太大，差距主要還是來自于實(shí)驗(yàn)思路?！?
從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，韓國在石墨烯研究處于世界相對領(lǐng)先地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004-2010年間，在石墨烯研究領(lǐng)域，韓國發(fā)表的學(xué)術(shù)論文數(shù)占總論文數(shù)的4.3%，僅次于美國、歐盟、中國和日本。一些代表性工作，例如利用化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition, CVD) 在金屬鎳基底上生長薄層石墨烯，具有世界級(jí)的影響力。2014年，來自韓國三星先進(jìn)技術(shù)研究院及成均館大學(xué)的科學(xué)家在沉積鍺的單晶硅基板上生長出超大尺寸、無缺陷的單層單晶石墨烯，在石墨烯的國際專利申請方面，韓國的產(chǎn)出更為可觀。申請專利數(shù)排名前十的機(jī)構(gòu)中，有三家來自韓國，其中三星公司的專利數(shù)排名世界第一。申請專利數(shù)排名前十的科學(xué)家中，有七名來自韓國。韓國在石墨烯領(lǐng)域的領(lǐng)先地位是與國家級(jí)的戰(zhàn)略支持和以三星電子為代表的企業(yè)界的大力配合是分不開的。
相較于中國石墨烯中小企業(yè)無序群起，韓國政府制定了詳細(xì)發(fā)展規(guī)劃，由大公司負(fù)責(zé)實(shí)施。他們重點(diǎn)推動(dòng)石墨烯在觸摸面板、有機(jī)發(fā)光二極管、電致變色智能窗、電動(dòng)汽車二次電池、高壓大功率超級(jí)電容器、超輕強(qiáng)復(fù)合材料、高性能阻氣膜、電磁波屏蔽、環(huán)保型抗氧化鋼板等9大領(lǐng)域的應(yīng)用。韓國政府為搶占石墨烯制高點(diǎn)，設(shè)立IBS（Institute for Basic Science，基礎(chǔ)科學(xué)院）,是韓國旨在發(fā)展基礎(chǔ)科學(xué)成立的類似德國馬克斯-普朗克研究所的機(jī)構(gòu)。
韓國石墨烯的發(fā)展進(jìn)程中，Philip Kim是起到重要啟示作用的關(guān)鍵人物，Philip Kim從首爾大學(xué)畢業(yè)后在哈佛大學(xué)獲得博士學(xué)位?，F(xiàn)在為美國哥倫比亞大學(xué)教授，2005年，他在《Nature》上發(fā)表了一篇關(guān)于石墨烯的論文，其成果只比獲得諾獎(jiǎng)的英國團(tuán)隊(duì)落后幾個(gè)月。張旭認(rèn)為這對韓國的石墨烯發(fā)展的影響，如同日本人飯島澄男最先發(fā)現(xiàn)碳納米管（此說有爭議）對日本納米管發(fā)展的影響，后來日本人在碳納米管方面做了很多領(lǐng)先工作。
朱彥武也認(rèn)可此說，“韓國大公司在這方面的積累很深厚，他們的專利布局非常早，力量更雄厚，他們是國家戰(zhàn)略整體布局?！倍抑鞆┪湔J(rèn)為，在動(dòng)力電池材料的競爭中，石墨烯的應(yīng)用充滿了不確定性，鋰電池的正極材料還有很多選擇，現(xiàn)在除非有全新的技術(shù)，把石墨烯用作電池的主要材料，否則它一直是添加劑。
在這場重要而又充滿懸念的競賽中，誰最終能搶得先機(jī)，一直作為追隨者的中國，會(huì)不會(huì)迷失在那些不確定性中。懸念似乎還在，不過誰是石墨烯角力的最終贏家，華為任正非有這樣的論述：“我認(rèn)為這個(gè)時(shí)代將來最大的顛覆，是石墨烯時(shí)代顛覆硅時(shí)代，但是顛覆需要有繼承性發(fā)展，在硅時(shí)代的成功佼佼者最有希望成為石墨烯時(shí)代中的佼佼者。因?yàn)楝F(xiàn)在芯片有極限寬度，硅的極限是七納米，已經(jīng)臨近邊界了，石墨已經(jīng)是技術(shù)革命前沿邊了。但邊沿機(jī)會(huì)還是硅時(shí)代的領(lǐng)先公司。不可能完全憑空出來一個(gè)小公司，然后就領(lǐng)導(dǎo)了時(shí)代脈搏，而且石墨烯這個(gè)新技術(shù)在世界上的發(fā)展也不是小公司能做到的?！?
