石墨烯导电性强、可弯折、机械强度好,看起来颇有未来神奇材料的风范。石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,被称为“黑金”“新材料之王”。
石墨烯应用范围广泛。目前石墨烯应用主要集中在电子及化工领域,特别是在电子行业的锂电池电极、触摸屏、超级电容领域具有较强的竞争优势。
据灵核网发布《2016-2020年国内外石墨烯行业研究成果》显示,去年我国石墨烯专利数量全球排名第一。目前石墨烯的研发主要集中在亚洲及北美洲,其中我国是主要的研发国家,优先权专利申请数约占全球近一半。另外,全球石墨烯专利最为集中的前五个领域分别是锂电池、生化传感器、超级电容器、催化剂及导电复合材料。其中锂电池应用方面的专利数为646件,占专利总数的12.7%。因此石墨烯的应用研究在锂电池领域最为成熟,产业化进程有望提速。
随着制备技术日趋成熟以及下游需求逐渐打开,石墨烯材料对传统材料的替代将加快,未来在锂电池材料领域具有广泛的应用空间。从电子领域的下游需求来看,添加石墨烯后的锂电池主要应用于电动交通工具、智能手机、笔记本电脑、移动电源、可穿戴设备及工业储能等领域。数据显示,今年1月至9月我国新能源汽车生产30.2万辆,比上年同期增长93%,在新能源车产量迅猛增长的同时,锂电池需求也将激增。石墨烯锂电池具有减低电阻、改善循环性能和储电量大等优点,将有利于推动石墨烯在锂电池领域的产业化发展。
目前石墨烯在锂电池中的添加形式主要有导电添加剂、电极复合材料及直接作为负极材料三种形式。其中,石墨烯导电添加剂的导电、放电性能远远优于传统导电剂,其在制备过程中不涉及复杂的合成过程,因此可控性较强,难度较低,成功率较高,目前石墨烯导电剂研发技术已经相对成熟。
目前市面上存在的电池大多分为四类:动力锂离子电池;以铅、二氧化铅和硫酸为活性物质的铅酸电池;储氢合金为负极材料的动力镍氢电池;利用双电层和赝电容储能的超级电容器和用氢气或甲醇等作燃料的质子交换膜燃料电池。但这些电池均不同程度的受到成本、功效上的制约,从普及和实用的角度讲,很难成为未来能源领域的领导者。
实际上,已有一种被称为 “超级电池”或“Ultrabattery”的铅烯混合储能电池被开发出来。这是一种将石墨烯与锂电离子电池材料在纳米尺度符合,使其达到1+1>2的协同效应的超级电池。用这种石墨烯基纳米复合储能材料制造的下一代混合储能电池,充电时间可以缩短到5分钟以内,明显优于目前电动汽车使用的锂离子电池,而比能量是目前超级电容器的10 倍以上。据悉,珠海聚碳动力已经成功研发出这种“超级电池”,预计在今年年底或明年年初上市。
报告认为,随着扶持政策不断加码,以及生产成本的下降,我国石墨烯导电剂将迎来规模化生产机遇。今年工信部等四部委联合发布了《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》,要求积极开发前沿材料,包括石墨烯、增材制造材料、智能材料、超材料等基础研究与技术积累。另外,《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》指出,在2020年形成完善的石墨烯产业体系,实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化,在多领域实现规模化应用。
报告数据显示,去年石墨烯导电剂价格为230美元/千克,与碳纳米管导电剂价格大致相同,预计到2020年石墨烯导电剂价格将降至113美元/千克,而碳纳米管价格将维持在200美元/千克的水平,石墨烯导电剂的价格优势将逐步显现。
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