石墨烯应用技术年终盘点

文/曾革



石墨烯应用技术年终盘点

文/曾革

电子元件与材料杂志社

基于中国石墨烯产业技术创新联盟、中关村石墨烯产业联盟等多家石墨烯研发组织的资料，整理概括了截止2016年底石墨烯应用技术在发展规模、技术成熟度、重点技术领域、标准、专利以及政策支持等信息，汇聚了多方观点，显示了石墨烯应用技术的发展方向。

2016年12月18日，中国石墨烯产业技术创新联盟(以下简称石墨烯联盟)2016年会在京召开，联盟秘书长李义春在工作汇报中指出，石墨烯产业在中国发展态势非常迅速，2015年统计的企业有三百多家，2016年已达四百多家。在推进石墨烯商业化应用方面，中国石墨烯产业技术创新战略联盟通过与各地方政府共同打造石墨烯产业园，使石墨烯产业在常州、青岛、无锡等地蓬勃发展。到2018年，中国将建成石墨烯从研发到制造的全创新链条、全球领先的研发中心以及石墨烯应用工程技术中心。重点面向能源存储装置、功能涂料、改性橡胶、传感器和柔性电子等诸多应用领域开展商业化，预计到2020年将形成营收1 500亿美元的石墨烯相关产品市场[1]。

联盟技术委员会主任康飞宇在技术工作汇报中总结了石墨烯的几个重点技术方向，他特别关注那些已经走出中试，进入商业化前期，甚至是已进入商业化的技术。2016年中国的石墨烯研发工作颇具特色，在连续大规模制造研究以及与产业紧密结合等方面都有了长足的进步。前两年就有像二维、格菲这样的企业开始做石墨烯膜，目前采用卷对卷工艺已经可以大量生产了，应用也很有起色，导热的电加热产品已在应用。最近投产的石墨烯用到了低温复压技术，在真空约200 ℃的环境下制造，避免了常见的高温膨胀，克服了氧化等不利因素，这不仅降低了能耗，更为重要的是提高了石墨烯的质量，所制产品现在已经成规模地供应电池厂。石墨烯材料下游的储能和新能源器件目前有不少实打实的应用，比如锂电池和超级电容器。电池技术进展很快，见诸报道的突破很多，真真假假虚虚实实的都有，但康飞宇认为其中不乏真金白银的技术。锂电池的研发目前集中在快速充电和提高容量，近期关注度较高的华为电池，其主要是利用石墨烯对电极进行散热。

中关村石墨烯产业联盟理事长、中科院院士刘忠范在2016中国国际石墨烯产业发展论坛上，采用Gartner技术成熟度曲线对石墨烯这一新兴产业进行了描绘，如图1所示[2]。刘院士认为石墨烯现阶段处于图中关注度的峰值区域，也就是期望值非常高，同时他还指出，很多做基础研究的人现在已经退出石墨烯领域，因为成果高产期已经过了。

图1 石墨烯产业的Gartner技术成熟度曲线

在石墨烯产业化关键技术的突破上，刘忠范院士课题组做了很具开创性意义的工作，2017年在光纤制备与传感技术以及石墨烯非线性光学研发领域还将持续发力。课题组将玻璃和石墨烯材料结合，这两种材料都是透明的，但玻璃的属性是绝缘非晶态，而石墨烯与之相反，具有既导电又导热的晶体属性，刘忠范院士将其称之为“超级石墨烯玻璃”，这让笔者联想到杂交而出的“超级水稻”，这也许是技术之道在不同领域的映射，可谓“稻可道，非常稻”。

理想的石墨烯是一张薄薄的具有单晶结构的完美图画，现实的石墨烯却如一件乞丐的烂衫，破衣服上点缀着星星点点闪烁的单晶，单晶之间相伴而生广阔的边界，单晶很强大，边界很脆弱，结果就是一拉即破，衣不蔽体。破，还是其一，脏，更难忍受，“黑钻”石墨烯全身布满与生俱来的多种污染物，能否高纯宏量制备决定着石墨烯的未来。要制备出理想的石墨烯还需愚公移山，如何来测量与标定石墨烯应用的即将爆发？石墨烯标号不失为一种办法，像碳纤维那样，有T300、T800、T1000这样明确的规格，这涉及到石墨烯的相关标准的制定，谁的标准拥有了话语权，谁就抢占了产业先机。

石墨烯标准的制定面临诸多挑战，对此石墨烯联盟标准委员会秘书长戴石峰在工作汇报中指出，标准化的一个重要目标就是营造一种良好的产业发展环境，围绕目标多做一些有意义的标准。在传统产业，标准是一个和专利八杆子打不着的事情，但是对新兴领域这个情况发生了变化。高新领域的标准制定必须要有该领域不断更新的科学技术为依托，这样标准的水平才能提高，但是这些新兴技术里面包含了各种版权和知识产权，标准属于公权，而专利则是私权，现在要把私权纳入公权就会产生矛盾，标准制定或服务单位希望能发挥技术专家的作用大家不断探索。

对于标准与专利紧密“联盟”的发展需求，联盟专利委员会主任刘兆平也深有体会，他在年会报告中分析了石墨烯专利的现状。据德文特专利数据库，2015年4月全球公开的石墨烯专利是14 000件，在过去一年多的时间里，截止到2016年12月6日上升到了27 000件，几近翻了一番。中国的专利在2015年4月是8 000件，到2016年底约17 000件，占全世界的60%，领先于韩国、美国和日本，对此刘兆平打趣道“中国在石墨烯领域比特朗普控制的地盘还大得多”。但是，不容回避的事实是，中国专利虽多，而实际管用的太少，尤其是源头上的专利稀缺，专利“浮肿”现象不容忽视，国内研制单位需做好应对措施，避免知识产权的纠纷。

与专利数量虚高所对应的，石墨烯低端产能也很高，据中科院成会明院士提供的数据，全国的产能差不多有7 000吨，但实际的产量也就100吨左右。有生产没应用这是一个大问题，工信部原材料工业司副司长苗治民在发言中同样指出了目前做的很多新材料就是解决不了应用的问题，或者说对于产业带不来很多社会价值。“十三五”重点将在材料的应用上发力，针对应用将制定一些新的政策，包括保险机制、财税机制，相应的配套政策工信部等相关部委正在研究。中国中车集团的阮殿波总工在主持石墨烯联盟年会上使用了“国家战略物资”这一提法，足见产业界对政策支持的厚望。

中国拥有全球最为庞大的石墨烯研发队伍，论文数量顺理成章排名第一，早在2015年8月底，中国在石墨烯领域发表论文就占到全球的34%（超过美国的19%）。但与专利数量有些类似，首创的“管用”论文不多。2016年，石墨烯联盟的一篇题为《Graphene commercialization》文章发表在了《自然材料》（Nature Materials）上，该杂志影响因子高达38.891，居世界第7位，超过第9位的《Nature》和第16位的《Science》[3]，然而欣喜之余，联盟也看到了石墨烯距离应用第一、产业第一还有很长的路要走，这需要注入国家意志、发挥政府补贴的作用。多方信息表明，石墨烯基础领域的研究面临退潮，应用之路尚需筚路蓝缕、发扬工匠精神，期盼“大面积”、“单晶级”、“管用”的文章能在中文期刊中展现，助推“杀手锏”级的应用早日面世。

致谢：感谢中国石墨烯产业技术创新联盟提供的文字材料和报道支持。

[1] XIAO X Y, LI Y C, LIU Z P. Graphene commercialization [J]. Nat Mater, 2016, 15: 697-698.

[2] 烯碳资讯. 刘忠范院士谈石墨烯产业科学发展之路[OL]. http://libattery.ofweek.com/2016-11/ ART-36002-8420-30066335_5.html.

[3] 青岛市科技局. 青岛企业联合国内专家在《自然材料》杂志发表文章[OL]. http://www.most.gov.cn/dfkj/sd/zxdt/201607/ t20160712_126570.htm.