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可穿戴设备领域未来的救星:石墨烯材料

2014-09-03 00:12
天堂的苦涩
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  石墨烯应用领域不断拓宽 多家公司布局

  石墨烯是新材料领域一颗耀眼的新星。由于具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质,石墨烯有望在电子、新能源、高端制造、医疗等领域展开多种应用。未来下游应用市场有望达到万亿元级别,预计最先将应用于太阳能透明电极、散热材料和触摸屏等领域。

  石墨烯目前处于产业化攻坚阶段,在技术、工艺和产业链对接方面需要投入大量资源。产业化的关键和难点是相关材料的制备、转移技术和上下游产业链整合。美国、英国、中国、日本和韩国等国家的产业化开发处于相对前列。

  涉及石墨烯业务的上市公司较多,但均处于研发试验或新涉阶段,尚未对业绩构成实质性影响。

  新材料领域的重大突破

  石墨烯是由单层碳原子构成的六角形蜂巢晶格的平面二维材料,结构稳定,各项物理性质优异。石墨烯的发现颠覆了凝聚态物理学界既往的二维材料不能在有限温度下存在的观念。

  石墨烯具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质,是目前最薄也是最坚硬的纳米材料,同时具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能,未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域应用,是最有前景的先进材料之一。

  石墨烯材料分为两类,一类是由单层或多层石墨烯构成的薄膜,另一种是由多层石墨烯构成的微片。石墨烯薄膜又分为单晶薄膜和多晶薄膜。其中单晶薄膜可以用于集成电路等电子领域,但是产业化尚待时日。而多晶薄膜有望在5-10年内实现产业化应用,替代ITO玻璃用于制造触摸屏(特别是柔性制造屏)和其他需要透明电极的领域。除了纯石墨烯之外,另外还有很多石墨烯衍生物,未来也会有较为广泛的应用。

  总体而言,石墨烯应用领域将主要集中在电子、新能源、生物医疗、高精度制造业、水处理等高精尖技术领域。

  传感器方面,纳米传感器尺寸小、精度高。原子级别的传感器与普通传感器相比,具备多种独有的微观性质,显着拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器可广泛应用于生物、化学、机械、航空、军事等方面。纳米传感器主要包括纳米磁敏传感器、纳米生物传感器和纳米光纤传感器。纳米传感器尺寸主要取决于探针针头大小,传感器尺寸可显着减小,同时感应时间大大缩短,满足微观高精度测量需要。随着工业生产和环境监测的需要,纳米气敏传感器的研发获得了长足的进展,未来有望率先实现商业化应用。

  目前已经有用化学气相沉积法在分散有催化剂的SiO2/Si基片上制得的单个的单壁碳纳米管。此种碳纳米管使得传感器在复杂的气体环境中具有选择性,区分度和灵敏度较之传统的传感器显着提升。

  单壁碳纳米管具有优异的电子、机械、力学等性能,但是纳米管制备一直是难点。实现结构和性质可控的制备是单壁碳纳米管应用的基础和关键,同时也成为碳纳米管研究和应用发展的瓶颈。

  石墨烯良好的电导性能和透光性能,使其在透明电导电极方面有非常好的应用前景。试验证明,石墨烯比表面积高达2600平方米/克,导电性极高,且储能效率是现有材料的近两倍,是理想的电极材料。石墨烯在取代其他电极材料方面有广阔的应用前景,即便是目前商用超极电容器使用的活性炭等材料,比表面积也不过1000-1800平方米/克,石墨烯的电学综合性能显着超越当前的各种材料。

  传统电极材料多采用ITO(铟锡氧化物)。铟元素价格昂贵,且较为稀有。行业正在寻找一种成本更低的材料以替代ITO。石墨烯以其独有的导电透明性质成为备选材料。采用石墨烯制成的透明电极,不仅具备传统电极的导电特性,同时还可以弯曲折叠,在搭建过程中可与建筑构成一体化,更加经济和实用。透明导电电极不仅应用于太阳能领域,同时还可应用在触摸屏、液晶屏、发光LED和超级电容等多种光电领域。目前全球实验室将石墨烯电极应用至上述多类型产品,包括触摸屏和超级电容。若能成功商业化,未来有望改变电子行业制造格局。

  应用领域不断拓宽

  石墨烯是目前所知最薄、最强和导电性最好的材料。研究发现,通过建立三维堆叠多层异质结构的石墨烯能够制成具备极为敏感的高效光伏设备,可以利用太阳能产生电力。未来有望采用石墨烯制成转换效率更高的新一代太阳能电池。

  从当前的研究进展来看,石墨烯不仅可以制成太阳能电池用的透明电极,同时还可以用作插入半导体层之间的中间电极。石墨烯最能发挥威力的领域是有机薄膜太阳能电池领域。在太阳能电池中使用石墨烯作为中间电极的优点在于,石墨烯是透明的,而且与半导体层的相容性较高。

  化学掺杂可以大大降低石墨烯面电阻并调整石墨烯的功函数,制成柔性更高的透明导电薄膜。石墨烯制成的透明导电薄膜,不仅具备导电、透明等太阳能转换器件所必备的性质,还具备金属材料所不具备的柔性。同时,此种薄膜具备对中远红外线高透性质,能显着提升太阳能的转换效率,是新一代太阳能电池的理想材料。当前多晶硅太阳能电池转换效率为30%,理论上石墨烯太阳能电池有望将转换效率提升到60%,未来太阳能电池有望实现小型化。石墨烯可以弯曲且透明,未来有望将石墨烯太阳能电池安装在建筑物外墙,使太阳能用于日常照明和采暖等日常应用。

  目前,在石墨烯光伏材料研究领域处于领先地位的厂商之一是富士电机。该公司正在积极开发采用石墨烯制成的太阳能电池透明导电膜。

  超级电容器是基于高比表面积炭电极/电解液界面产生的电容、或者基于过渡金属氧化物/导电聚合物的表面及体相所发生的氧化还原反应来实现能量存储和转换的电子元件。其构造和电池类似,主要包括正负电极、电解液、隔膜和集流体。

  作为一种新型储能装置,超级电容器具有体积小、输出功率高、充电时间短、使用寿命长、工作温度范围宽、安全且无污染等优点,有望成为未来新型的电源装置。要制造出高性能的超级电容器,电极材料是超级电容器的关键所在,决定着电容器的主要性能指标,如能量密度、功率密度和循环稳定性等。目前,纳米结构的活性炭、碳化物转化炭、碳纳米管、氧化钌、聚苯胺和聚吡咯等均已用于微型超级电容器的电极材料。但是上述材料整体性能不能满足微型能源系统的要求。同时,制造微型超级电容的光刻工艺复杂,生产周期长,成本高昂,一定程度上制约了超级电容商业化进程。

  试验证明,石墨烯有望成为新型高效的超级电容器电极材料。目前已经研究出以石墨烯为基础的新型微型超级电容器,此类电容器外形小巧,充放电速率高,同时具备极佳的机械柔性。与传统固态电解质相比,石墨烯电介质可显着提升电容器容量及耐用时间,可以与薄膜型锂离子电池相媲美。这种新颖的石墨烯微型电容器有望应用于MEMS系统、便携式电子设备、无线传感网络、柔性显示器,以及其多种生物体内电子设备的储能器件。

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