石墨烯的基本特點

 

石墨烯是目前世界上已發現的最薄最輕最強的新型納米材料，能廣泛應用于電子信息、資源能源、生物醫藥等80多個領域，因此被稱為“黑金”，并享有“新材料之王”的美譽。有科學家預言，石墨烯將“徹底改變21世紀”，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。

 

石墨烯是最薄最輕的新型“超級材料”。其厚度是一張A4紙厚度的十萬分之一，頭發絲的五十萬分之一，重量比空氣還輕。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層到幾十層石墨烯，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。石墨烯是人類已知的強度最高的材料，強度是普通鋼材的100倍。此外，石墨烯還具有良好的韌性，單位面積石墨烯片可承受4kg重量，其韌性相當于碳纖維的20倍，不易斷裂。例如，如果物理學家們能制取出厚度相當于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。石墨烯的導熱導電性能高、透光性強，是室溫下最好的導熱材料，導熱性能是碳納米管的1.51倍，是銅的13倍，銀的10倍。它也是室溫下最好的導電材料，電子在石墨烯中的運動速度達1000千米/秒，是光速的1/300。

 

近兩年，我國先后建立了4個石墨烯產業創新基地，國家領導人也多次實地考察石墨烯產業化情況。據前瞻產業研究院《2016—2021年中國石墨烯行業深度市場調研與投資戰略規劃分析報告》數據顯示，我國申請的石墨烯專利數量最多，已超過2200項，占全世界的1/3。在政策方面，2015年以來，我國已經在《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》等多個重要文件中提及石墨烯發展目標，2016年國家公布的“十三五”規劃第23章中，國家也明確了石墨烯在戰略新興產業中的重要性，石墨烯作為高端材料進入到“十三五”產品目錄。

 

石墨烯對全球未來能源結構的影響

 

能源與環境是人類發展永恒的主題。人類歷史上每一次偉大的工業時代都以世界能源革命和新的主導型能源機制的引入為基礎和標志。新一輪能源革命的主要特征是全球化、低碳化、智能化，其間伴隨著舊世界秩序的解體和新世界秩序的重構。這將決定哪些國家最終能贏得未來百年的戰略發展主動權。傳統化石能源的來源、通道將不再是各國博弈的重點，爭奪能源領域科技創新的技術制高點將成為國家競爭的核心內容，石墨烯等新材料技術的應用將是重塑全球能源未來的關鍵。

 

突破可再生能源發展瓶頸的關鍵。石墨烯在能源領域的應用，首先是促進可再生能源（如風能、太陽能等）的有效利用。《BP世界能源展望（2017版）》于2017年3月在中國發布。該報告對全球能源發展趨勢作出預測，到2035年全球能源消費將增長約30%。可再生能源增長最快，將在未來20年內翻兩番，盡管如此，化石燃料在2035年仍是全球能源供應主要來源（77%）。可再生能源所占比重將不超過20%，一個重要的原因就是可再生能源的儲能問題一直沒有得到有效解決。大規模儲能技術的引入將有效提高可再生能源的使用和其發電的入網效率。而石墨烯因理論上具有較大的比表面積、優良的導電性、力學性能好的特點而被認為是一種理想的超級電容器（一種高效的儲能裝置）電極材料。目前，國內以及日本、韓國、英國有很多學者對石墨烯進行研究和修飾，石墨烯+超級電容器有望在新能源利用方面取代傳統電容器，實現其在智能電網儲能系統，能量傳輸系統，風能、光伏發電能量儲存系統，分布式發電儲能系統等方面的應用，提高能量存儲效率，減少傳輸過程中的能量損失，減少能源消費中的浪費。有專家預測，石墨烯在能源領域的使用，將有助于提高可再生能源在能源消費結構中的比例，預計到2035年，可再生能源的消費占比將達到30%左右。

 

石油的間接“替代品”。石墨烯的使用不但可以提高可再生能源的消費比例，還可以成為石油的間接“替代品”。一是可以制成石墨烯燃油添加劑，使納米級的石墨烯片層在燃燒室內高溫高壓的作用下，迅速附著并滲透至金屬氣缸表面，在短時間形成“油膜”，提升氣缸壓力。初步應用表明，在不改變油品的情況下，實際節油率達25%以上，減排力度達50%以上。二是可以將石墨烯與鋰離子電池相結合，使其成為新能源汽車的理想、高效電源。電動汽車要求儲能裝備不但具有高能量密度，還要具有高安全性、環境友好性、快速充電等特性。石墨烯具有良好的導電性，被視為一種優良的導電劑。添加了10%的石墨烯鋰離子電池，其充放電性能均優于添加其他材料的電池。研究成果表明，石墨烯聚合材料電池的儲電量是目前市場最好產品的三倍。用此電池提供電力的電動汽車能行駛超過1000公里，充電時間大大減少，充電次數可達3000次以上，電池的重量不足傳統充電電池的一半。雖然目前這些數據還僅僅是處于實驗室階段，但為新能源汽車的大力發展和普及提供了可能。

 

但是，需要注意的是，石墨烯技術應用仍有幾項重大困難（比如，工藝上來看，如何批量化地制備大面積、穩定性好、高質量的石墨烯就是一大難題）；產業更新成本巨大，難以簡單取代現有設備。除技術與成本外，石墨烯產業發展最大的瓶頸在于沒有形成完整的、成熟的產業鏈上下游。據前瞻產業研究院發布的《2016—2021年中國石墨烯行業深度市場調研與投資戰略規劃分析報告》顯示，石墨烯產業仍處于中游專利布局階段，下游產業鏈尚未形成，即處于產業化初期，沒有完全實現石墨烯的規模化應用，對石墨烯產品最大的需求市場仍然是科研院校和少量生產廠商，仍然是以初級低端應用為主。石墨烯研發制備企業和下游應用企業脫節。由于下游需求未起，大部分石墨烯企業目前仍無法找到穩定的商業模式和盈利模式。石墨烯作為“替代材料”還有很長的路要走。