2015年2月，歐洲率先提出的'石墨烯旗艦計(jì)劃'勾畫出了未來10年石墨烯產(chǎn)業(yè)科技路線圖，旨在把這種神奇的二維材料從實(shí)驗(yàn)室推廣到社會(huì)應(yīng)用之中，引導(dǎo)科研機(jī)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)界開發(fā)相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品。而短短兩三年間，中國石墨烯日新月異的產(chǎn)業(yè)化速度讓歐洲人吃驚不已，中國技術(shù)已經(jīng)在世界石墨烯商業(yè)化應(yīng)用中力拔頭籌。
最新一期熱播的《極限挑戰(zhàn)》電視綜藝節(jié)目，制作組把追擊和守護(hù)'石墨烯電池'文件作為扣人心弦的環(huán)節(jié)，讓石墨烯廣泛走進(jìn)我國大眾的視線。我國關(guān)于石墨烯電池的研究始終力不輟，目標(biāo)是開發(fā)出低成本、高穩(wěn)定、輕量級(jí)、壽命為鋰電池20倍的石墨烯電池，甚至將其提升為可穿戴配置。據(jù)悉，2017年伊始石墨烯發(fā)熱服裝便已登錄央視春晚。
超薄有機(jī)太陽能電池
石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)新材料，它輕如空氣，又堅(jiān)比鋼鐵，以其優(yōu)異的導(dǎo)電性、透光性和強(qiáng)韌度在電子、能源、環(huán)境、生物等多個(gè)領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用潛力。有了它，可彎曲折疊的屏幕、更薄更耐用的電池、更小的處理器都不再是幻想。自從本世紀(jì)初英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從石墨中成功剝離出單層石墨烯以來，許多國家都對(duì)這種神奇的材料展開了深入的研究。
近10年來，研究人員一直在研發(fā)各種透明的有機(jī)太陽能電池，并取得重大進(jìn)展。這些電池與硅基太陽能電池相比，具有多項(xiàng)優(yōu)勢：制造工藝簡單，成本便宜，輕便易彎曲，容易運(yùn)送到?jīng)]有電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。目前，最廣泛使用的材料是銦錫氧化物（ITO），這種材料導(dǎo)電性和透明性都符合要求，但太硬，彎曲時(shí)容易折斷碎裂，而且，銦是一種稀有金屬，用來生產(chǎn)太陽能電池成本過高。石墨烯層成為替代ITO的最佳選擇，這種用隨處可見的碳制成的材料，不僅導(dǎo)電性高、可彎曲和透明，而且做成的電極只有1個(gè)納米厚，更符合超薄有機(jī)太陽能電池的需求。
早前兩大瓶頸始終制約著石墨烯電極在太陽能電池的普及。第一個(gè)瓶頸是石墨烯兩個(gè)電極難以沉積到太陽能電池上。第二是石墨烯電極的另一瓶頸是，頂層電極和底層電極必須承擔(dān)不同的工作性能，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)非常不容易。麻省理工學(xué)院（MIT）電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授孔靜，卻能一次性解決這兩大瓶頸。他們使用銅箔、聚合物層、硅膠和一層乙烯-醋酸乙烯酯（EVA），不僅成功將兩層石墨烯電極沉積到太陽能板上，而且能改變頂層石墨烯電極的工作性能，使其與底層石墨烯的性能完全不同，確保了電流順暢。
打破新能源電池技術(shù)瓶頸
據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2016年全國汽車銷售超過2800萬輛。公安部交管局?jǐn)?shù)據(jù)更是顯示，截至2017年3月底，全國機(jī)動(dòng)車保有量首次突破3億輛，其中汽車達(dá)2億輛。交通部門預(yù)計(jì)，未來中國汽車后市場年均增速將超過30%，2018年后市場規(guī)模有望破萬億元。汽車銷售量的增加同時(shí)警示著世界石油資源儲(chǔ)量稀缺，全球變暖、汽車尾氣排放污染環(huán)境等問題，新能源汽車無疑成了可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇。
然而目前市面上的新能源汽車在使用方面主要存在兩大問題，一是續(xù)航里程問題，續(xù)航里程太短，尤其是低溫環(huán)境下，續(xù)航里程衰減嚴(yán)重；二是充電時(shí)間，充電時(shí)間較長以及充電設(shè)施不完善，即充電難問題。石墨烯的出現(xiàn)，有望解決這些難題。石墨烯作為當(dāng)前世界上最熱門的新材料，導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，市場應(yīng)用前景十分廣闊。為此，近10年來全球從事這個(gè)領(lǐng)域研究的科學(xué)家們，都力求在石墨烯技術(shù)上突破。因此石墨烯電池研究也受到了很多企業(yè)的青睞和國家的重視。將石墨烯運(yùn)用到電池中，電池具有快充、快放、儲(chǔ)能大等特點(diǎn)，完美的解決新能源汽車在電池方面的缺點(diǎn)。
據(jù)了解，聚碳和哈工大研發(fā)的石墨烯聚合材料電池儲(chǔ)能量是傳統(tǒng)電池產(chǎn)品的三倍，體積也小一半、充放電時(shí)間快，可供新能源汽車行駛超1000公里。同期，G-NCAbattery技術(shù)（石墨烯復(fù)合鎳鈷鋁三元鋰離子電池技術(shù)）也問世，能將鎳鈷鋁電池的充電倍率達(dá)到10C（六分鐘），放電倍率達(dá)到30C。這項(xiàng)技術(shù)可以讓汽車持續(xù)在90公里以上的速度運(yùn)行而不會(huì)降低電池壽命。該電池技術(shù)在年內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，很快便將應(yīng)用到新能源汽車領(lǐng)域。
產(chǎn)業(yè)化發(fā)展貼近民生
9月24日，2017中國國際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)在南京拉開帷幕，在為期三天的盛會(huì)上展示了從國內(nèi)外征集的100多項(xiàng)石墨烯科研創(chuàng)新成果，在貼近民生需求、推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展，以及石墨烯關(guān)鍵制備等方面精彩呈現(xiàn)，讓之前'高大上'得似乎有些玄妙的石墨烯特性，實(shí)現(xiàn)'接地氣'看得見能摸著的創(chuàng)新應(yīng)用。
石墨烯不光在能源領(lǐng)域表現(xiàn)突出，其在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用同樣驚艷眾人。此次參展的創(chuàng)新成果中，有采用電化學(xué)法制備石墨烯溶膠，且通過干燥工藝制得石墨烯粉體，將其與化肥復(fù)合制成一種新型肥料--石墨烯增效復(fù)合肥，在針對(duì)萵筍、蘿卜等農(nóng)作物實(shí)驗(yàn)種植中，竟探究出節(jié)肥增產(chǎn)、低碳環(huán)保之效，開拓出納米材料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的新思路。
目前石墨烯在中國已經(jīng)初步形成了產(chǎn)業(yè)化。據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，2016年我國石墨烯市場總體規(guī)模突破40億元，石墨烯相關(guān)產(chǎn)品的銷售額達(dá)30億元左右。根據(jù)中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟預(yù)測，2017年我國石墨烯市場規(guī)模有望突破100億元，我國有望成為全球最大的石墨烯消費(fèi)國家。
據(jù)介紹，石墨烯的價(jià)格根據(jù)純度、厚度等不同需求差別很大，要求最苛刻的超級(jí)電容器所需石墨烯價(jià)格約為每克1000元，而涂料等要求較低的石墨烯價(jià)格可以低至每克幾十元。目前中國石墨烯材料的年產(chǎn)能維持在3000噸左右，而需求量僅為100余噸。這意味著，石墨烯下游市場仍有待進(jìn)一步開發(fā)，產(chǎn)業(yè)前景十分廣闊。
另外，隨著產(chǎn)業(yè)化的不斷推進(jìn)，石墨烯方面的標(biāo)準(zhǔn)制定也成了迫切的問題。今年6月，由中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟制定的石墨烯術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)正式推出，這是世界上首個(gè)石墨烯行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)制定的過程中，聯(lián)盟與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國際電工委員會(huì)（IEC）等世界級(jí)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)積極溝通協(xié)調(diào)，這項(xiàng)'中國標(biāo)準(zhǔn)'有望在不久的將來被這些國際機(jī)構(gòu)采納，成為'世界標(biāo)準(zhǔn)'。
石墨烯承載了改變?nèi)祟惿a(chǎn)生活方式的使命和期待。在這個(gè)過程中，世界各國需通力合作，才能更快地打造屬于石墨烯的新時(shí)代，讓這個(gè)神奇的材料給人類社會(huì)帶來新的希望。
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