石墨烯：从王子到平民的蜕变

撰文/N.E.S 李娜

石墨烯：从王子到平民的蜕变

撰文/N.E.S 李娜

如今，说起石墨烯早已不是一个陌生的词汇，自从国家主席习近平在英国参观了曼彻斯特大学国家石墨烯研究院后，一时间便成为各界关注的焦点。石墨烯被冠以“黑金”的美誉，有人说它是“万能材料”，无论是电子科技、医疗、能源等领域均出现它的身影，更有人将21世纪称为“石墨烯时代”。可见，石墨烯已经成为集万千宠爱于一身的新兴材料。

不过，跟业内人士聊起石墨烯，却发现大家对它的看法则是又爱又恨。不可否认，作为最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，它的出现的确给传统制造产业带来一场颠覆性的革命。尤其是应用于动力电池领域，含有石墨烯材料的锂电池10分钟即可完成80%的充电效率，续驶里程达400公里，这对车企而言无疑是提高产品性能的一剂良药。但是，由于石墨烯生产过程十分繁琐，对环境要求极为严苛，导致生产成本过高、价格较为昂贵使得众多企业只能望而却步。

于是，如何在提高生产效率的同时降低石墨烯价格，成为石墨烯生产企业一项关键议题。近年来制备石墨烯技术已经有所突破，时下石墨烯的售价早已不再是一克千金，相反由于价格逐渐低廉、产品性能逐步提升已经可以满足市场需求。

被神话的石墨烯

随着石墨烯市场日益火热，越来越多的人给石墨烯披上华丽的外衣。甚至在网络中赫然出现“石墨烯电池充电10分钟跑1000公里”“ 石墨烯价格是黄金的16倍，售价约5000元”“某公司石墨烯月产量100千克，年产价值达60亿元”等宣传标语。如果你对石墨烯行业并不十分了解，看到上述介绍是否会大吃一惊？

“很多人在介绍石墨烯产品时存在夸大其词的现象，这是整个石墨烯圈子里的乱象。”山东玉皇新能源科技有限公司销售经理马力告诉记者，“甚至有些企业提供的所谓石墨烯产能数据，实际上只是氧化石墨烯的产量。”经记者调查得知，目前已经实现工业化生产的石墨烯制造企业，产能均未超过10吨。山东玉皇新能源科技有限公司副总经理高洪森告诉记者：“以玉皇新能源为例，公司规划石墨烯年产量将达到3吨，在行业中已经处于领先地位。”

对于石墨烯价格争议的问题，马力对此做出解释，生产石墨烯的原材料是碳，而碳在市场最低售价为5000元/吨。不过，将碳最终变成石墨烯材料，需要经过多项实验反复操作，消耗大量人力、物力。“曾经石墨烯在市场售价高达2000元/克，但随着产业规模不断扩大，技术不断创新，目前价格仅为30元/克。未来，公司有望实现10元/克的销售目标。”马力说。

揭开“它”神秘面纱

早在2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫就研制出石墨烯。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带后石墨片一分为二，不断重复操作最后取得仅由一层碳原子构成的薄片——石墨烯。在此之后，制备石墨烯的方法层出不穷，包括机械剥离法、SiC外延生长法、化学气相沉淀法（CVD）和氧化还原法等。“通过氧化还原法制取石墨烯是目前最为适应工业生产的方法，无论是产品质量还是制作工艺均已趋向成熟。”马力说。

石墨烯作为从石墨材料中剥离出来只有一层原子厚度的二维晶体，的确是一种非常“惊叹”的材料。如果将石墨烯一层层叠加起来，最终的形态就是石墨。有资料显示：1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯，如果拿一支铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹已经是无数层石墨烯叠加在一起。“相比于石墨而言，石墨烯更具有高导电性、高导热性、高比表面积、高强度和刚度等优良特性。”中国电子科技集团公司第18研究所高级工程师肖成伟说。

不仅如此，石墨烯同样是最强韧的材料，它的断裂强度比最好的钢材还要高出200倍。同时它还具备非常好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。“目前石墨烯在锂离子电池及超级电容器领域具有广泛的应用前景。”肖成伟表示。“通过试验数据得出，在锂电池中添加0.5%的石墨烯材料，即可实现3000次以上的充电次数，电池使用寿命提升数倍，重量仅为传统电池的一半。”高洪森说。

实验成果≠工业生产

虽然石墨烯生产技术趋于成熟，但高洪森却认为，批量生产石墨烯仍是亟待解决的一大难题。高洪森解释：“从技术角度而言，制取石墨烯并不难，在大学的实验室里完全可以操作。但是，将石墨烯的性能达到工业生产标准才是科研人员需要突破的关键点，这个过程一般需要1-2年的时间。”实验室制作石墨烯电池，由于产量较少，外部环境因素影响较低，产品质量比产业化生产要高出许多。但在实际生产过程中，研制石墨烯则更多需要考虑外在因素。例如，采用氧化还原法制取石墨烯，将粉末状的石墨烯放置到液态里，必须要保证石墨烯均匀分布在溶剂里不能产生沉降，这项技术就是研究团队需要突破的难点；另外，锂离子对空气、水分等环境要求极高，当石墨烯添加到电解液后必须去除水分，并且需要均匀分布到溶剂里才能达到理想的导电状态；最后，还要不断进行优化工艺。“很多企业在小范围生产阶段产品质量较好，到中期生产环节导电性能逐渐降低。这就需要生产机器不断调试，达到工业生产标准后，才能实现批量生产。”高洪森说。

石墨烯之路任重而道远

2015年被誉为石墨烯元年，也是石墨烯发展最为突破的一年。不过，从目前市场反应来看，石墨烯并未受到广泛推广，“更多企业对于石墨烯产品仍处于观望状态，这主要是由于他们对产品的不了解。另外，相对于传统电池，石墨烯电池价格略微昂贵也是重要的原因。”高洪森向记者分析，“一种产品的好坏不能仅从价格方面考虑，应从整个产品性能去衡量，带有石墨烯材料的锂电池，无论在导电性还是续航能力上都具有非常大的竞争力。”

“作为一个新兴材料，石墨烯电池的发展是一个双方促进的过程。”高洪森说，在销售过程中，首先要让客户对石墨烯产品有良好的体验。另外，当前的石墨烯产品不再是遥不可及的，无论是技术还是产品，已经可以迎合市场做出产品规划。目前，石墨烯电池已经应用到纯电动汽车行业，前景十分广阔。另一方面，从企业角度而言，只有需求量不断加大，市场规模和产量才能逐步提升，当产品进入市场化后，价格自然逐渐降低。

目前，从碳原料到生产出石墨烯，之间的转换率已经高达80%，工业化生产已经初具规模。不过，即使石墨烯已经开始在各领域大展拳脚，在投入生产过程中也不能盲目。“没有任何一种材料能解决所有的问题。虽然石墨烯具有诸多优质性能，但无论将它用于何处都需要通过认证，反复实验最终达到可靠性才能投入到市场中。”高洪森说。