石墨烯产业化方兴未艾 5年内锂电领域局面难开

 

石墨烯从爆炒到逐渐冷却,从侧面反映出石墨烯材料在应用端还远远没有达到市场产业化的临界点。

与此同时,有关上市公司控股的子公司申请石墨烯专利的消息频传,也显示了国内高新技术产业对石墨烯材料的关注和重视。

早在2012年,中科院宁波材料技术与工程研究所研究员刘兆平博士和他的团队宣称:可以将石墨烯制取的成本从5000元一克降低到3元一克。这就意味着贵过黄金的石墨烯开始变成了“白菜价”,如果真是这样,困扰着动力锂电池多年的难题也就迎刃而解了。

今年3月,随着加州大学石墨烯“超级电容器”研究成果的发布,有行业分析人士立即指出,石墨材料、石墨烯微片和宣称石墨烯制造的产业链上市公司将被爆炒。

果然,受此消息提振,石墨烯概念股表现强势,多只个股一度飙升到两市涨幅榜前列,中国宝安和华丽家族更是一度涨停。

然而,这一说法很快遭到业内专家的质疑。“真正的石墨烯是非常轻的,作为单原子层的石墨烯用公斤和吨来衡量的说法显然是不科学的。国际上通用的方法是用面积的算法来衡量石墨烯的产量。”清华大学深圳研究生院院长康飞宇教授认为,出现这样的结果,起始于媒体的错误解读,然后被股市庄家和券商借用炒作。

一项实验室成果被夸大成为炒作题材,从另外一个角度看,正说明锂电池行业缺乏激动人心的进展,特别是动力锂电池存在着诸多技术瓶颈,造成纯电动车市场踟蹰不前,而且这种障碍将长期存在。

被夸大的概念“作为目前已知的最薄、强度最高的材料,加上优异的导电性、导热性和透光性,石墨烯在电子元器件、新能源、动力电池、导电油墨、导电涂料、航空航天和复合材料等多个领域,都有巨大的应用前景。”宁波墨西科技有限公司副总经理蔡凤新认为,市场只接受成熟的产品和应用解决方案。

根据宁波墨西科技有限公司在其官网上的介绍,其生产的石墨烯产品为石墨烯微片,即为多层石墨烯结构,但石墨烯的特性,比如导电、导热、透光、柔软性等得到很好保持,可以作为一种工业原材料广泛地添加到现有的各种基础材料中,对现有材料的性能进行改进。

但是实际上,石墨烯与石墨烯微片,两字之差却谬之千里。

石墨烯质地薄且坚硬,可被广泛应用于各领域,比如超薄超轻型飞机材料,超轻防弹衣等,被看做是未来电子产品变革中所需的重要材料。

“大石墨烯概念可分为:石墨烯微片、氧化石墨烯、石墨烯。”深圳六碳科技创始人许子寒认为,从国际学术研究的角度来看,后者才是真正意义上的石墨烯。

根据资料介绍,石墨烯微片是指碳层数多于10层、厚度在5~100纳米范围内的超薄的石墨烯层状堆积体;而石墨烯则是由碳原子构成的单层片状结构,是只有一个碳原子厚度的二维材料。

“作为新材料的石墨烯尚处于研究阶段未能商用,而如果细数那些所谓的石墨烯概念股就会发现,真正与石墨烯有关联的并不多。”许子寒认为上市公司有意无意的将石墨烯的概念与石墨材料、石墨烯微片等概念混淆,让澄清公告“澄而不清”。

南都电源就是将此种概念混淆,有意无意间“澄而不清”的公司之一。

南都电源公司于2012年9月向国家知识产权局申请“一种含有铅石墨烯复合材料的铅炭电池负极板”和“一种铅石墨烯复合材料”两项发明专利。

在其“一种铅石墨烯复合材料”的专利介绍中称:每个石墨烯片包含1~50个碳原子层;本发明的铅石墨烯复合材料可以实现铅颗粒与石墨烯片的有效结合,并且与铅粉等铅酸电池的负极活性物质也可实现更均匀的混合。

由此可见,南都电源的专利也是石墨烯微片而非石墨烯,两者概念相去甚远。

然而资本市场对于新概念的追逐总是热烈而盲目的。

早在墨西科技于2012年4月成立时,就号称拥有全球第一条石墨烯生产线,设计年产300吨。墨西科技网站资料显示,2012年12月,公司举行了年产200万平方米石墨烯涂层铝箔生产线投产仪式,“标志着全国乃至全球首个基于石墨烯应用领域的产品正式面向市场”。

“从严格意义上来说,他们生产的并不是石墨烯。只有单层的才是石墨烯,而他们生产的石墨烯大概在10层左右。层数越少,性能越独特。”上海一位新材料方面的权威专家指出。

此非孤论,另有专家亦称,墨西科技所生产的,实质上只是石墨微片,本质上仍属石墨范畴。石墨烯由于是以原子为单位,故多以面积计算,如以重量算计,对角线30英寸可能就是0.1毫克左右,以公斤或吨来计算的,都称不上是石墨烯。

产业化方兴未艾

虽然目前国内针对石墨烯材料的研发进展多有滥美之词,但这并不妨碍石墨烯在锂电池应用方面的巨大前景。

康飞宇告诉《高工锂电》,目前石墨烯在锂电池应用领域的研究主要集中在两个方面:一个是电极复合材料,另一个是导电添加剂。

在正极材料方面,通过喷雾干燥方法可获得磷酸铁锂、石墨烯复合正极材料。由石墨烯形成的三维导电网络与磷酸铁锂纳米颗粒紧密结合,极大提高了电极材料的电导率。同时,复合材料中的多孔结构又满足了锂离子快速迁移的需要,因此石墨烯改性磷酸铁锂材料的倍率性能和循环稳定性均较传统的热解碳包覆改性有了显著提升。

而采用石墨烯材料的新型锂离子电池导电剂能够大幅降低电池内阻,提高电池散热性能,因此可显著提升电池倍率性能和循环寿命,同时可有效降低导电剂用量,从而提高电池容量。研究表明,添加1%石墨烯导电剂的磷酸铁锂电池性能已和添加2%碳纳米管导电剂的电池相当。

与此同时,现阶段锂电池的一个突出矛盾就是能量密度低,且进步缓慢。电池的能量密度指单位体积或质量所储存的电能。能量密度越高,产品使用时间越长,体积也越小而轻便。

锂电池另一致命的缺点是,使用寿命也不尽如人意。纯电动车的电池系统是由多个单体电池串并联组成电池组,再由若干电池组形成的电池包。北京化学试剂研究所高级工程师廖红英表示,就像“木桶原理”,性能最弱的单个电池决定了这个电池包的寿命,“若有一个害群之马,整个电池包可能就会停止工作”。

在纯电动车的制造成本中,电池占到4 0%~6 0%。一般汽车是1 5年的使用寿命,纯电动车中锂电池的使用年限仅5年。

一辆普通家用轿车的价格约10万元,如果购买相同配置的纯电动车,则要再支付10万元的电池成本,这让消费者难以接受。

电动自行车领域也是这样,虽然锂电池的能量密度、循环充电次数都大大优于铅酸电池。但铅酸电池的更换成本平均为450元左右,锂电池则为1000元左右,因此锂电池仅占据了3%左右的市场份额。

“石墨烯材料在锂离子电池中的应用则会极大地改善这种现状,在提高电池能量密度的同时,将极大的提升电池倍率性能和循环寿命。”康飞宇表示,随着石墨烯材料在锂离子电池应用的研究中不断取得突破,在不久的将来,动力锂电池技术上存在的一些缺陷终将会迎刃而解。

根据高工锂电研究院(GBII)发布的最新研究报告显示,中国是世界上除日本外最大的锂电池生产国及主要消费国,2012年市场规模达到640亿元。其中笔记本电脑占29%,手机占36%,为最大应用领域。但是,动力锂电池只发展了十年时间,仍处于早期的幼稚阶段。

5年内锂电领域局面难开

在多方的重视和努力之下,石墨烯正在加快产业化的步伐。不过据记者了解,不同类型的石墨烯,其产业化进程并不相同。

刘兆平介绍,石墨烯材料可以分为两类,一类是由单层或多层石墨烯构成的薄膜,另一类是由多层石墨烯(10层以下)构成的微片。

石墨烯薄膜又细分为单晶薄膜和多晶薄膜,其中,单晶薄膜可用于制造集成电路,但距离产业化的距离还很遥远。多晶薄膜则有望在5~10年内实现产业化应用,可替代ITO玻璃用于制造触摸屏和其它需要透明导电材料的应用领域。

石墨烯的另一个类别——石墨烯微片也可以细分为两类,一类是功能化的石墨烯微片,由于拥有含氧基团,可以应用在药物、检测和催化剂等特殊领域。另一类是较为纯粹的石墨烯微片,可用于导电和导热等多个领域。

目前,在石墨烯薄膜和石墨烯微片这两个方向上,中国也在进行积极探索。2012年1月8日,江南石墨烯研究院对外宣称,手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。这种透明的薄膜可以满足智能手机触摸屏的基本功能。

不过,石墨烯要想在锂电池领域实现真正的产业化,除了石墨烯材料的低成本量化生产,还需要在应用方面进行进一步的研究和拓展。

“石墨烯可以用于锂离子电池正极涂层,但电池企业如果想应用石墨烯导电剂,还要考虑一系列的问题。比如按照什么样的比例加入,才能使石墨烯应用效果更佳;石墨烯添加的方法和顺序,以及电池制造工艺的改进等等。”徐子寒认为,所有这些问题如果没有能够得到很好的解决,石墨烯在锂电池行业的应用将无从谈起。

而在这方面,除了企业自己的努力,还需要国家的支持。“需要政府出台相关政策,为应用创新创造条件。”蔡凤新说。

在蔡凤新看来,目前国家对石墨烯的扶持力度还很不够。“‘十二五’规划中并没有提到石墨烯,2012年国家发展改革委的产业振兴和技术改造目录,石墨烯也并没有被列入其中。”对此他深感忧虑。

采访中蔡凤新告诉《高工锂电》记者,目前石墨烯的价值和前景已经得到了国际上许多科学家的认可,我国也和发达国家同处于起跑阶段,如果错失这个机会,等几年后国外已经实现产业化后,我们再去做,无疑又将重复研发领先、产业落后的老故事。

科技巨头们试图加快推进石墨烯的产业化和应用。IBM、三星等已经紧锣密鼓地开始了石墨烯的应用研究,其中IBM已经研制出了首款由石墨烯圆片制成的集成电路,而三星公司也制造出了由多层石墨烯等材料组成的透明、可弯曲的显示屏。

今年1月28日,欧盟委员会宣布,将对石墨烯研究进行10亿欧元的资助。风雨飘摇的诺基亚公司获得该项资助,试图通过石墨烯材料东山再起。这也是欧盟有史以来最大的研究资助类项目之一。

然而,对于中国锂电池企业来说,他们更关注石墨烯材料在锂电池方面研究的现状和在锂电池领域实现产业化的可能性。

“目前已有不少锂电池企业向我求证和咨询过石墨烯在锂电池研究方面的进展。”

徐子寒认为目前石墨烯在锂电池领域实现产业化的条件尚不成熟,手机触摸屏将会成为第一个率先打开的市场。

“值得高兴的是,国家工信部内部正在商讨准备出台高新材料重大研究计划,石墨烯作为最有潜力的高新材料,可能会在后续的国家相关政策中得到扶持。”康飞宇教授透露,即便是有政策有支持,石墨烯在锂电池领域的产业化道路依然漫长,起码5年内难以实现。

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    【责任编辑:赵卓然】
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