石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的一種最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，因其良好的透光性、高導(dǎo)熱系數(shù)、低電阻率和高機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)，在鋰電池、航空汽車(chē)零部件、散熱素材、集成電路等領(lǐng)域發(fā)揮著高效性能，被人譽(yù)為“除了吃以外，石墨烯涉及了一切產(chǎn)品及各個(gè)領(lǐng)域中”的神奇材料，被稱(chēng)為金屬類(lèi)珍貴的“黑金”和“新材料之王”?？茖W(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將是“徹底改變21世紀(jì)”的新材料，極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

資料顯示，經(jīng)歷了2014至2016年的高速發(fā)展后，目前我國(guó)從事石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等相關(guān)企業(yè)數(shù)量超過(guò)400家，約占全球石墨烯企業(yè)數(shù)量的四分之三，且在技術(shù)專(zhuān)利方面更是一支獨(dú)大，2015年我國(guó)已經(jīng)申請(qǐng)了2200多項(xiàng)石墨烯專(zhuān)利技術(shù)，約為全球石墨烯專(zhuān)利技術(shù)的三分之一。

有專(zhuān)家預(yù)計(jì)，未來(lái)幾年內(nèi)，石墨烯將主要用于“導(dǎo)電油墨”、“防腐涂料”、“散熱材料”、“鋰電池”、“超級(jí)電容”等五大領(lǐng)域。在這五大領(lǐng)域，目前都已取得了重大的突破，石墨烯未來(lái)運(yùn)用前景將越來(lái)越廣闊。

導(dǎo)電油墨——“紙電子”成為可能

導(dǎo)電油墨是用導(dǎo)電材料制成的油墨，具有一定程度導(dǎo)電質(zhì)，可作為印刷導(dǎo)電點(diǎn)或?qū)щ娋€路之用。近年來(lái)在手機(jī)、玩具、薄膜開(kāi)關(guān)、太陽(yáng)能電池、遠(yuǎn)紅外發(fā)熱膜以及射頻識(shí)別技術(shù)等行業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。過(guò)去數(shù)十年，導(dǎo)電油墨最大的下游是太陽(yáng)能電池以及顯示器件。未來(lái)包括觸摸傳感器及其電極、RFID以及電子紙張的應(yīng)用也將同時(shí)保持增長(zhǎng)。

石墨烯是一種神奇的材料：這種碳蜂窩結(jié)構(gòu)只有一個(gè)原子厚。它具有很好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能；它強(qiáng)大而又穩(wěn)定。但研究人員一直都苦于無(wú)法將其從用于研究材料特性的實(shí)驗(yàn)室小樣品推進(jìn)到可以用于實(shí)際應(yīng)用的更大片的樣品。最近的用噴墨打印機(jī)來(lái)打印多層石墨烯電路和電極的項(xiàng)目使得工程師們考慮將它用于柔性可穿戴的低成本電子產(chǎn)品上。

愛(ài)荷華州立大學(xué)JonathanClaussen實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，用脈沖激光工藝對(duì)噴墨印刷的多層石墨烯電路和電極進(jìn)行處理提高了導(dǎo)電性，而不會(huì)損壞紙張，聚合物或其他脆弱的印刷表面。為了使這一切變成可能，工程師們開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)控制的激光技術(shù)，其可以選擇性地照射噴墨印刷的石墨烯氧化物。該處理移除了油墨粘合劑，并減少了石墨烯上的石墨烯氧化物——從物理上將數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小石墨烯薄片拼接了起來(lái)。該工藝使電導(dǎo)率提高了超過(guò)一千倍。

局部化的激光處理工藝也將印刷石墨烯的形狀和結(jié)構(gòu)從一個(gè)平坦的表面轉(zhuǎn)變成隆起的三維納米結(jié)構(gòu)。工程師們說(shuō)，該三維結(jié)構(gòu)就像是從表面升起的微小花瓣。粗糙的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)增加了石墨烯的電化學(xué)反應(yīng)活性，使它可以用于化學(xué)和生物傳感器。根據(jù)Claussen的納米工程師團(tuán)隊(duì)所說(shuō)，所有這一切將會(huì)使石墨烯走向商用。

散熱材料——石墨烯散熱鑄件問(wèn)世

電子和光子器件的散熱是影響電子技術(shù)發(fā)展的主要問(wèn)題，手機(jī)、電腦、微型電路等設(shè)備的散熱主要通過(guò)各類(lèi)散熱片來(lái)解決。目前，市場(chǎng)中的電子產(chǎn)品的散熱片主要是石墨散熱片。但是，石墨烯導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱快、可折疊等性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于石墨片，極佳的散熱材料如熱導(dǎo)纖維、熱導(dǎo)塑料等，并且技術(shù)難度小、工藝相對(duì)成熟，存在快速進(jìn)入市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。尤其在智能手機(jī)領(lǐng)域，手機(jī)要求輕薄、便攜，未來(lái)要求可折疊，因此石墨烯導(dǎo)熱膜具有極大優(yōu)勢(shì)。預(yù)估未來(lái)采用石墨烯散熱膜進(jìn)行散熱的散熱組件占總電子產(chǎn)品及LED產(chǎn)品市場(chǎng)的10%，即可為石墨烯散熱膜帶來(lái)15-20億左右的市場(chǎng)空間。

廈門(mén)泰啟力飛發(fā)布的石墨烯新型散熱鑄件型材，主要運(yùn)用于光電器件。泰啟力飛在兩年的時(shí)間里，依托廈大物理系、無(wú)錫石墨烯產(chǎn)業(yè)基地，檢定了600多種石墨烯的特性，積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將各種品相的石墨烯成功的摻雜在各種高分子產(chǎn)品中。這次發(fā)布的PB0730070系列，性能上比肩鑄鋁：傳統(tǒng)鋁件的導(dǎo)熱系數(shù)為95～110，PB0730070的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到85。

傳統(tǒng)的鋁型材，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上面臨很多制約，而PB07系列材料，卻可以做出各種形制，光電結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)上會(huì)有更多的選擇余地。結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，使得這款散熱器具備比鋁型材更好的散熱性能。在綜合成本上，鋁的比重2.7，但PB07的比重只有1.68。在工業(yè)成本的核算上，比鋁型材的成本降低30%。

超級(jí)電容——柔性化微型化超級(jí)電容器研究新突破

石墨烯的電導(dǎo)率高、比表而積大、且化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表而更有效的釋放，有利于電子的滲透和運(yùn)輸，更加適合作為超級(jí)電容器電極材料。目前，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)石墨烯超級(jí)電容器的投產(chǎn)，技術(shù)上已經(jīng)完全可以實(shí)現(xiàn)石墨烯超級(jí)電容器的生產(chǎn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所二維材料與能源器件創(chuàng)新特區(qū)研究組（DNL21T3組）研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)在柔性化、微型化石墨烯基超級(jí)電容器的研究中取得新進(jìn)展，成功獲得了二維噻吩納米片與石墨烯疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜，并應(yīng)用于高性能、柔性化、微型化超級(jí)電容器。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上（AdvancedMaterials，DOI:10.1002/adma.201602960）。

近年來(lái)，隨著高度集成化、輕量便攜化、可穿戴式、可植入式等新概念，特別是柔性化電子產(chǎn)品概念的不斷提出，迫切需要開(kāi)發(fā)與其高度兼容的具有高儲(chǔ)能密度、柔性化、功能集成化的微型儲(chǔ)能器件。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該研究團(tuán)隊(duì)在前期研究中將甲烷等離子體還原技術(shù)和光刻微加工技術(shù)相結(jié)合，成功制備出石墨烯基高功率平面微型超級(jí)電容器；采用層層自組裝氧化石墨烯與多聚賴(lài)氨酸，并在層間插入硼酸，經(jīng)高溫處理獲得氮硼共摻雜的石墨烯薄膜應(yīng)用于高體電容和倍率性能的微型超級(jí)電容器；利用交替堆疊的方法制備出高致密、高導(dǎo)電性聚合物/石墨烯、活化石墨烯/石墨烯薄膜材料，應(yīng)用于高比能量微型柔性超級(jí)電容器；利用噴涂方法制備出石墨烯導(dǎo)電聚合物薄膜，應(yīng)用于超薄、可打印、具有交流線性濾波功能的超級(jí)電容器，這些柔性化、微型化超級(jí)電容器對(duì)于未來(lái)的電子器件展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景。

鋰電池——新型鋰電池面世

石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用比較多元化，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的是用在正極材料中作為導(dǎo)電添加劑，來(lái)改善電極材料的導(dǎo)電性能，提高倍率性能和循環(huán)壽命。目前比較成熟的應(yīng)用是將石墨烯制成導(dǎo)電漿料用于包覆磷酸鐵鏗等正級(jí)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(chǎn)、成本持續(xù)降低的情況下，石墨烯漿料將呈現(xiàn)更好的包覆性能。石墨烯漿料將隨鋰電池增長(zhǎng)而穩(wěn)步上升。鋰離子電池主要應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、攝像機(jī)等便攜式電子器件等方面，并積極地向電動(dòng)力汽車(chē)等新能源汽車(chē)領(lǐng)域擴(kuò)展，具有長(zhǎng)期發(fā)展前景。

東旭光電推出的全球首款石墨烯基鋰電池——“烯王”，據(jù)報(bào)道，石墨烯基鋰電池可實(shí)現(xiàn)15分鐘快速充放電，同時(shí)還能在-30至80℃環(huán)境下工作，循環(huán)壽命高達(dá)3500次左右。無(wú)論是充電時(shí)間、還是工作環(huán)境以及壽命，這種新型電池都比傳統(tǒng)鋰電池強(qiáng)出許多。

中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所劉錦淮等通過(guò)美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校和中科院合肥研究院合作研制了一種基于三維石墨烯的復(fù)合電池材料，具有高的活性材料負(fù)載量、短的離子電子傳輸路徑，而且電極材料組裝成電池不需要使用任何粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑等添加劑，電池具有高容量和優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。研制的三維石墨烯/五氧化二釩電池正極材料，在12分鐘完全充/放電條件下，循環(huán)2000次后電池容量大于200mAh/g（大量文獻(xiàn)報(bào)道小于1000次、容量普遍低于150mAh/g）；而且1分鐘充電的容量，達(dá)到商用和文獻(xiàn)報(bào)道的大于5分鐘的相近容量。此外，該三維石墨烯復(fù)合電池材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可以應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料，比如研制石墨烯/硅復(fù)合負(fù)極，展現(xiàn)出良好的通用性。

防腐涂料——重防腐涂料問(wèn)世

目前國(guó)內(nèi)防腐涂料消費(fèi)量近180萬(wàn)噸，占世界防腐涂料總消費(fèi)量的40%以上。我國(guó)防腐涂料需求主要集中在船舶、石油化工、橋梁、集裝箱等領(lǐng)域。涂料中添加石墨烯后，石墨烯能夠形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)格，有效提高鋅粉的利用率，從實(shí)際效果來(lái)看，添加約5%的石墨烯粉，可減少50%鋅粉的使用量。同時(shí)，石墨烯涂層能在金屬表而與活性介質(zhì)之間形成物理阻隔層，對(duì)基底材料起到良好的防護(hù)作用。

11月3日，位于浙江寧波的全國(guó)首家電網(wǎng)新材料應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室對(duì)外宣布，他們利用新材料石墨烯研制出了全新的重防腐涂料，將應(yīng)用在電網(wǎng)領(lǐng)域，今后電網(wǎng)的防腐抗冰能力有望大大提升。目前市場(chǎng)上主要的重防腐涂料是富鋅底漆，不但防護(hù)壽命短，而且大量使用鋅，浪費(fèi)資源，與環(huán)保理念相悖。石墨烯重防腐涂料中鋅含量只占20%甚至是零，而且性能至少提高兩倍。此次研發(fā)的石墨烯重防腐材料填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)電網(wǎng)防腐涂料技術(shù)空白。