石墨烯盛宴開啟：取代鋰電池有何前景？

“2014中國國際石墨烯創新大會”近日在寧波開幕。除了來自美國、歐洲、韓國的國際知名院所帶來的最新研究成果外，國內研究機構也將同臺競技。

作為一種最年輕的新型材料，石墨烯尚未開展商業化應用，但是資本已經高度關注并且使出渾身解數向它靠攏。近一年的時間，上市公司布局石墨烯的步伐明顯加快。目前A股公司中還沒有一家公司以石墨烯為主營業務的公司，但是通過收購、投資、合作等方式涉足的已經有10余家公司。

企業參與石墨烯有真有假，有深有淺，但是一般都會選擇與科研院所合作，只有貝特瑞等少數公司選擇單獨開發。

中科院金屬研究所在石墨烯研究領域處行業領先位置。2011年起，金路集團與中科院金屬研究所約定雙方在石墨烯研發及產業化方面展開合作，此后金路集團一直受到資本市場追捧。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所首席科學家劉兆平，同時也是寧波墨西科技的總經理。而寧波墨西科技的大股東正是上海南江集團。南江集團曾參股多家上市公司，華麗家族、樂通股份、上海新梅等都曾經因此而被劃為石墨烯概念股。

此外，清華大學、中國科技大學、中科院微系統與信息技術研究所也是中方石墨烯研究的重要機構。這三家機構的領域廣泛，不僅包括基礎研究，也包石墨烯制備技術，以及在電池、生物傳染器、復合材料等產業化應用方面。

解密石墨烯：為何能取代鋰電池？

很多時候，技術的革命來自于材質，比如塑料的發明，從方方面面改變了人們的生活。而在目前，石墨烯作為一種新材質，受到了極大的關注。實際上，石墨烯是碳的一個種類，具有超高強度、輕薄和可延展的特性，將能夠改變數碼產品的外觀、手感甚至使用形態。下面，我們就來詳細了解一下石墨烯材質到底有什么過人之處。

1.比鋼鐵還硬

雖然LGGFlex可以自我修復輕微的劃傷，但仍未改變手機易損壞的缺點。不過，如果手機等數碼產品在未來能夠使用石墨烯作為外殼的話，則會變得堅若磐石。據美國化學學會的報告稱，石墨烯的硬度是鋼材的200倍，顯然具有非常強的耐用度。

2.如橡膠般具有延展性

哥倫比亞大學的研究人員表示，石墨烯具有一定的延展性，能夠伸展20%。也就是說，石墨烯實際上是一種柔性材質，與橡膠類似。三星公司一直在研究石墨烯晶體管，從而生產出柔性屏幕。另外，石墨烯也有一定的耐水性，有望應用在新一代的防水設備上。

3.輕薄特性

石墨烯出色的延展性，還能夠讓其十分輕薄，足夠拉伸到薄到透明的程度。這就意味著，如果手機廠商可以使用這種材質，不僅能夠讓手機更耐用、防水，還可以變得更輕薄。

4.令人難以置信的電池壽命

我們曾經在電池技術發展類的文章中提到過石墨烯，它極有可能在未來取代鋰電池，成為新一代的電池標準。美國西北大學的研究人員已經成功研發出石墨烯和硅材質的電池，充電15分鐘可以實現約一周的續航能力，令人驚嘆。顯然，如果未來手機可以使用石墨烯電池，那么一周一充電將不再是夢想。

5.與人類的身體互聯

英國曼徹斯特大學的博士AravindVijayaraghavan發現，石墨烯具有與生物互聯的特點，這對健康檢測類可穿戴設備具有非常積極的影響。使用石墨烯作為傳感器，將可以監測和掃描人類的神經系統，可以想象，未來會出現“精神健康”類的監測設備及應用。

據《紐約時報》報道，石墨烯是一種神奇的材料，它具備顛覆當前所有電子設備的潛質，是“材料的未來和電子行業的救命稻草”。報道稱，石墨烯是目前已知的硬度最高、最薄的材料。它由碳原子以特殊結構排列而成，比其他任何材料都具備更好的導熱、導電特性。更令人稱奇的是，它不僅是世界上最硬的材料，而且柔韌性也最強。厚度只有一層碳原子的石墨烯被稱為“奇跡材料”。

石墨烯可以變革電子行業，催生靈活多變的設備、超動力的量子計算機、電子服裝及可與身體細胞交流的計算機。

雖然石墨烯早在10年前就被發現，然而它在2010年才真正獲得關注。兩名曼徹斯特大學的物理學家因石墨烯實驗而獲得諾貝爾獎。最近，研究人員集中精力研究如何商業化生產石墨烯。

2012年，美國化學學會稱石墨烯的強度是鋼鐵的200倍，它如此輕薄，以至于1盎司的石墨烯可以覆蓋28個足球場。中國科學家曾合成石墨烯氣凝膠，密度只有空氣的1/6；一立方英寸（約16.39立方厘米）的石墨烯氣凝膠放在一片草葉上，草葉不會變形。

“石墨烯是世界上為數不多同時具備透明、導電和柔性三大屬性的材料。”曼徹斯特大學講師亞拉文博士（AravindVijayaraghavan說道，“這三種屬性很少能在同一個材料上出現。”

石墨烯能做什么？

那么我們可以用石墨烯來做什么？物理學家和研究人員表示，由于石墨烯可以讓電子產品的屏幕更清晰且具備柔性特質，這些產品將比以往采用硅材料的設備更薄、更快、更便宜。另外，續航時間長的電池也可具備防水性能。

2011年，美國西北大學的研究人員以石墨烯和硅為原料制造電池，該大學表示這種電池可以讓手機“電池用上一周，每次充電只需15分鐘”。

2012年，美國化學學會表示，石墨烯技術進步將使得“手機薄如紙張，能夠折疊裝入口袋”。

亞拉文博士正基于石墨烯研制一系列傳感器，包括氣體傳感器、生物傳感器和光傳感器，它們的體型比以往更小。

上周，與韓國成均館大學合作的三星尖端技術研究所的研究人員稱，三星已找到在硅片上制造高質量石墨烯的方法。三星在聲明中表示，這些技術進步意味著公司可以開始制造“柔性顯示屏、可穿戴產品和其他下一代電子產品”。

科技博客Extremetech撰稿人塞巴斯蒂安安東尼（sebastiananthony）表示，三星的突破最終將成為“石墨烯商業化的救命稻草”。

三星并不是唯一研究石墨烯的科技公司，IBM、諾基亞和SanDisk公司的研究人員都在嘗試用石墨烯材料創造新型傳感器、晶體管和存儲器。

石墨烯的未來

當上述設備真正擺到商店貨架時，它們的外形和體驗可能是我們從未見過的。

哥倫比亞大學機械工程教授詹姆斯豪恩（JamsHone）表示，他的實驗室發現石墨烯拉伸20%后仍能保持導電性。他道：“你知道還有什么可以被拉伸20%嗎？答案是橡膠。相比之下，電子產品普遍采用的硅材料僅能被拉伸1%。”

他繼續說道：“這只是石墨烯瘋狂的一面——幾乎沒有其他材料能它這樣。”

你問最大的優勢？石墨烯最大的優勢是價格便宜。

當今電子行業的很多產品都能利用石墨烯而變得更好、更小、更便宜。

加利福尼亞大學伯克利分校的科學家去年制造了一款石墨烯揚聲器，音質等同于甚至好于森海塞爾耳機，體型更小。

石墨烯迷人的地方還在于，它可浸入液體不被氧化，這一點與其他導電材料完全不同。

亞拉文博士說道，石墨烯研究正在向讓電子產品與生物系統融合的方向轉變。換句話說，石墨烯產品可以植入你的身體中，讀取神經系統信息或同細胞對話。

不過，雖然研究人員相信石墨烯將用于下一代電子產品，但整個行業都在使用傳統硅芯片和晶體管制造電子產品，他們接納石墨烯速度可能很緩慢。

倘若真是這樣，石墨烯會優先用于其他行業。去年，比爾及梅琳達-蓋茨基金會拿出10萬美元獎金，獎勵利用石墨烯創造出更薄、更輕和更穩固的安全套科學家。

汽車制造商正在探索研制機身采用石墨烯的電動汽車，石墨烯不僅對機身起到保護作用，還將作為太陽能面板為汽車供電。飛機制造商也希望利用石墨烯制造飛機。

如果這些還不夠，石墨烯或有助量子計算機的制造。麻省理工學院的國際研究團隊正在利用石墨烯研究量子計算機，它將是未來計算行業的大市場。

總之，忘記塑料吧，石墨烯才是我們的未來。

從石墨烯入手

在團隊開始研究磷酸鐵鋰的時候，我們敏銳地察覺到，雖然與磷酸鐵鋰相關的學術研究已經滿坑滿谷，可是國內磷酸鐵鋰專利卻面臨隱患：兩大核心技術分別掌握在加拿大和美國公司的手中，國內70%新能源整車企業及電池供應商將來有可能會成為“被告”。因此我們認為發展能夠突破核心專利壁壘的材料技術將對我國磷酸鐵鋰行業產生重要意義。

碳包覆技術是磷酸鐵鋰材料技術的核心專利之一，它屬于加拿大魁北克水電公司。我們在進行專利分析時，注意到該公司的碳包覆技術專利的權利要求書中特別指明選用有機碳源，這意味著如果采用非有機碳源包覆，就可能“精明地”繞開這一專利壁壘。魁北克水電公司的專利的確把所有可用有機碳源都涵蓋進去了，可謂幾乎滴水不漏。那么何種碳源可以繞開這一專利壁壘呢？我們隨即聯想到石墨烯。于是，我們開始了實驗，結果顯示，石墨烯可以均勻地包覆在磷酸鐵鋰納米顆粒表面，并自形成三維導電網絡，大大提升了材料的倍率充放電性能和循環穩定性。盡管石墨烯復合技術依然處在實驗室階段，但其可能蘊涵的巨大商業價值讓我們毫不遲疑地申請了該技術的專利。

有了專利技術就要努力將其推向市場應用，否則便會成為僅供我們自己孤芳自賞的一種裝飾。我們隨后成立了專門的攻關小組，相繼建立公斤級小試實驗線和百公斤級中試實驗線，進行石墨烯復合技術的可行性驗證。結果表明與當前市場上的磷酸鐵鋰相比，石墨烯復合技術綜合性能優勢明顯。至此，我們的磷酸鐵鋰產業化技術，一方面擁有石墨烯復合專利技術，另一方面形成了中試制備工藝，基本具備了產業化條件。

邁出轉移第一步

與此同時，陸續有企業和投資者對磷酸鐵鋰產業化技術表示了濃厚興趣。在眾多接洽的企業中，寧波滬甬電力器材股份有限公司誠意最足，決心最大。2011年3月，磷酸鐵鋰產業化技術合作協議正式簽署，技術交易額近2500萬元，據說驚動了不少鋰電行業人士。在我看來，這次與滬甬電力的合作，可能是一個值得品味的技術價值極大體現的案例。

為了順利推進磷酸鐵鋰產業化項目，團隊隨后派出了三名技術骨干常駐新成立的專門從事磷酸鐵鋰生產的寧波艾能鋰電材料科技股份有限公司，實施“連人帶成果”的技術轉移模式。經過一年多的努力，我們建成了年產千噸級磷酸鐵鋰生產線。

在磷酸鐵鋰研發即將進入中試階段時，我意識到石墨烯復合磷酸鐵鋰技術產業化成功與否，很大程度取決于石墨烯是否便宜易得，這使得團隊下決心要發展出石墨烯低成本規模化制備技術。當時，我們在石墨烯制備研究上采用了傳統的hummers法。盡管我們解決了大尺寸單層石墨烯的制備難題，但我們更發現，這條技術路線具有難于產業化的天生缺陷——制備效率低和廢水處理難。如此一來，石墨烯的制備成本極高，阿里巴巴網上這種石墨烯的價格高達5000元/克，且僅是克級供貨。我們當初采用石墨烯改性磷酸鐵鋰時，每當試驗結果不好，糟蹋浪費了苦心準備的一大杯石墨烯，總是十分心疼。為此，我極力鼓勵當時負責石墨烯制備研究的周旭峰博士，希望他抓緊探索新的制備方法，目標瞄準低成本規模化制備技術，爭取在磷酸鐵鋰中試實驗過程中，可以持續穩定提供石墨烯原料。團隊反復試驗后發現，采用新的化學剝離方法雖然可以輕松獲得石墨烯微片，但片層厚度達6~8納米。但我認為他們努力的方向是對的，我再次鼓勵他們務必進一步將片層厚度控制在10層以下，也就是進入多層石墨烯的范疇。一段時間后，方法終于找到了！所制備的多層石墨烯薄片厚度僅為2~3納米，平均層數10層以下，且該制備方法可隨意放大，百克級石墨烯轉眼可提供。至此，一種多層石墨烯的低成本規模化制備技術基本確立。當周旭峰把數據準備完畢，并打算撰寫論文時，我突然覺得我們沒有必要寫論文，否則就把苦心創立的新技拱手奉送給他人了。最后，我們決定不發表論文，而是多申請幾項專利，以保護我們的石墨烯制備技術。

停止撰寫論文的決定，緣于我發現在市面上叫賣的石墨烯產品其實都是厚度6~15納米的石墨納米片（也稱為石墨烯微片），這意味著我們所制備的3納米厚度的多層石墨烯將更具吸引力和競爭力。因此，我決定首先建立一個石墨烯的千克級小試線，以確定該制備方法是否真的具有低成本規模化的潛質。我們根據經驗，按照想象，設計搭建了一套半連續的小試線。結果顯示，小試線不僅能輕松制備出千克級石墨烯材料，且石墨烯的品質比用燒杯做得更高。我們在2010年的最后一天，在寧波材料所網頁上發布了“石墨烯規模化制備技術中取得突破性進展”的新聞，當即引起外界熱議和轉載。

2011年開春，我就抑制不住召集了一個團隊內部緊急討論會，打算建立石墨烯的噸級中試制備實驗線。當時，連周旭峰都認為這太瘋狂了，大家認為建立中試線意義不大，且沒有足夠的科研經費，也沒有實驗室。我的看法是，中試線意義極大，只有建好中試線，石墨烯制備技術才可能被投資者看中，也才可能快速實現產業化，技術才可能具備商業價值，至于經費和實驗室都好辦，錢可以借，場地可以外面租！與此同時，一個專門負責石墨烯中試實驗的攻關小組成立，短短4個月后，我們正式對外界宣布石墨烯噸級中試線建成。接下來，便是持續的中試實驗，以唐長林博士為首的石墨烯攻關小組拿出了韌勁和拼搏精神，不斷改進和完善制備工藝。同時，團隊鋰電池制作小組也不斷試用中試出來的石墨烯產品，探索其在鋰電池中作為導電劑的可行性和先進性。

2012年9月，“石墨烯產業化技術項目”獲得中國科技創業計劃大賽最高獎——海外人才創業一等獎。從此，許多投資者紛紛來訪，商談合作。上海南江集團有限公司是最為果斷的，在雙方接觸的當天，便表示愿意接受這一項目，并迅速提出了一個2億多元的技術轉移合作框架。為了表示誠意，未等簽約其便將首期款項4000萬元匯入寧波材料所。這么快的速度絕不代表草率與沖動。在商議合作框架協議的過程中，南江集團王總第一次寫給我的郵件開篇一句話是”一萬年太久，只爭朝夕”，這表達了王總作為一名企業家、投資者，希望盡快把一個有前途的新技術推向產業化，愿意與我們團隊“共同創造屬于中國人的榮譽與驕傲”的決心。王總的話語令我感動，讓我鼓足勇氣迎接新挑戰，我要帶領團隊一起，把石墨烯推向產業化，去創造一種屬于新的現實，一種超越科技成果產業化的現實。