石墨烯盛宴開(kāi)啟：取代鋰電池有何前景？

“2014中國(guó)國(guó)際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)”近日在寧波開(kāi)幕。除了來(lái)自美國(guó)、歐洲、韓國(guó)的國(guó)際知名院所帶來(lái)的最新研究成果外，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也將同臺(tái)競(jìng)技。

作為一種最年輕的新型材料，石墨烯尚未開(kāi)展商業(yè)化應(yīng)用，但是資本已經(jīng)高度關(guān)注并且使出渾身解數(shù)向它靠攏。近一年的時(shí)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(méi)有一家公司以石墨烯為主營(yíng)業(yè)務(wù)的公司，但是通過(guò)收購(gòu)、投資、合作等方式涉足的已經(jīng)有10余家公司。

企業(yè)參與石墨烯有真有假，有深有淺，但是一般都會(huì)選擇與科研院所合作，只有貝特瑞等少數(shù)公司選擇單獨(dú)開(kāi)發(fā)。

中科院金屬研究所在石墨烯研究領(lǐng)域處行業(yè)領(lǐng)先位置。2011年起，金路集團(tuán)與中科院金屬研究所約定雙方在石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面展開(kāi)合作，此后金路集團(tuán)一直受到資本市場(chǎng)追捧。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所首席科學(xué)家劉兆平，同時(shí)也是寧波墨西科技的總經(jīng)理。而寧波墨西科技的大股東正是上海南江集團(tuán)。南江集團(tuán)曾參股多家上市公司，華麗家族、樂(lè)通股份、上海新梅等都曾經(jīng)因此而被劃為石墨烯概念股。

此外，清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、中科院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所也是中方石墨烯研究的重要機(jī)構(gòu)。這三家機(jī)構(gòu)的領(lǐng)域廣泛，不僅包括基礎(chǔ)研究，也包石墨烯制備技術(shù)，以及在電池、生物傳染器、復(fù)合材料等產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面。

解密石墨烯：為何能取代鋰電池？

很多時(shí)候，技術(shù)的革命來(lái)自于材質(zhì)，比如塑料的發(fā)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(zhì)，受到了極大的關(guān)注。實(shí)際上，石墨烯是碳的一個(gè)種類，具有超高強(qiáng)度、輕薄和可延展的特性，將能夠改變數(shù)碼產(chǎn)品的外觀、手感甚至使用形態(tài)。下面，我們就來(lái)詳細(xì)了解一下石墨烯材質(zhì)到底有什么過(guò)人之處。

1.比鋼鐵還硬

雖然LGGFlex可以自我修復(fù)輕微的劃傷，但仍未改變手機(jī)易損壞的缺點(diǎn)。不過(guò)，如果手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品在未來(lái)能夠使用石墨烯作為外殼的話，則會(huì)變得堅(jiān)若磐石。據(jù)美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的報(bào)告稱，石墨烯的硬度是鋼材的200倍，顯然具有非常強(qiáng)的耐用度。

2.如橡膠般具有延展性

哥倫比亞大學(xué)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(shuō)，石墨烯實(shí)際上是一種柔性材質(zhì)，與橡膠類似。三星公司一直在研究石墨烯晶體管，從而生產(chǎn)出柔性屏幕。另外，石墨烯也有一定的耐水性，有望應(yīng)用在新一代的防水設(shè)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(jī)廠商可以使用這種材質(zhì)，不僅能夠讓手機(jī)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?cè)?jīng)在電池技術(shù)發(fā)展類的文章中提到過(guò)石墨烯，它極有可能在未來(lái)取代鋰電池，成為新一代的電池標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)西北大學(xué)的研究人員已經(jīng)成功研發(fā)出石墨烯和硅材質(zhì)的電池，充電15分鐘可以實(shí)現(xiàn)約一周的續(xù)航能力，令人驚嘆。顯然，如果未來(lái)手機(jī)可以使用石墨烯電池，那么一周一充電將不再是夢(mèng)想。

5.與人類的身體互聯(lián)

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的博士AravindVijayaraghavan發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有與生物互聯(lián)的特點(diǎn)，這對(duì)健康檢測(cè)類可穿戴設(shè)備具有非常積極的影響。使用石墨烯作為傳感器，將可以監(jiān)測(cè)和掃描人類的神經(jīng)系統(tǒng)，可以想象，未來(lái)會(huì)出現(xiàn)“精神健康”類的監(jiān)測(cè)設(shè)備及應(yīng)用。

據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，石墨烯是一種神奇的材料，它具備顛覆當(dāng)前所有電子設(shè)備的潛質(zhì)，是“材料的未來(lái)和電子行業(yè)的救命稻草”。報(bào)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(jié)構(gòu)排列而成，比其他任何材料都具備更好的導(dǎo)熱、導(dǎo)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(qiáng)。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(yè)，催生靈活多變的設(shè)備、超動(dòng)力的量子計(jì)算機(jī)、電子服裝及可與身體細(xì)胞交流的計(jì)算機(jī)。

雖然石墨烯早在10年前就被發(fā)現(xiàn)，然而它在2010年才真正獲得關(guān)注。兩名曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家因石墨烯實(shí)驗(yàn)而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。最近，研究人員集中精力研究如何商業(yè)化生產(chǎn)石墨烯。

2012年，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)稱石墨烯的強(qiáng)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(gè)足球場(chǎng)。中國(guó)科學(xué)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(huì)變形。

“石墨烯是世界上為數(shù)不多同時(shí)具備透明、導(dǎo)電和柔性三大屬性的材料。”曼徹斯特大學(xué)講師亞拉文博士（AravindVijayaraghavan說(shuō)道，“這三種屬性很少能在同一個(gè)材料上出現(xiàn)。”

石墨烯能做什么？

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

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

2012年，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)表示，石墨烯技術(shù)進(jìn)步將使得“手機(jī)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(guó)成均館大學(xué)合作的三星尖端技術(shù)研究所的研究人員稱，三星已找到在硅片上制造高質(zhì)量石墨烯的方法。三星在聲明中表示，這些技術(shù)進(jìn)步意味著公司可以開(kāi)始制造“柔性顯示屏、可穿戴產(chǎn)品和其他下一代電子產(chǎn)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(yè)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(chuàng)造新型傳感器、晶體管和存儲(chǔ)器。

石墨烯的未來(lái)

當(dāng)上述設(shè)備真正擺到商店貨架時(shí)，它們的外形和體驗(yàn)可能是我們從未見(jiàn)過(guò)的。

哥倫比亞大學(xué)機(jī)械工程教授詹姆斯豪恩（JamsHone）表示，他的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)石墨烯拉伸20%后仍能保持導(dǎo)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(chǎn)品普遍采用的硅材料僅能被拉伸1%。”

他繼續(xù)說(shuō)道：“這只是石墨烯瘋狂的一面——幾乎沒(méi)有其他材料能它這樣。”

你問(wèn)最大的優(yōu)勢(shì)？石墨烯最大的優(yōu)勢(shì)是價(jià)格便宜。

當(dāng)今電子行業(yè)的很多產(chǎn)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(xué)伯克利分校的科學(xué)家去年制造了一款石墨烯揚(yáng)聲器，音質(zhì)等同于甚至好于森海塞爾耳機(jī)，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(diǎn)與其他導(dǎo)電材料完全不同。

亞拉文博士說(shuō)道，石墨烯研究正在向讓電子產(chǎn)品與生物系統(tǒng)融合的方向轉(zhuǎn)變。換句話說(shuō)，石墨烯產(chǎn)品可以植入你的身體中，讀取神經(jīng)系統(tǒng)信息或同細(xì)胞對(duì)話。

不過(guò)，雖然研究人員相信石墨烯將用于下一代電子產(chǎn)品，但整個(gè)行業(yè)都在使用傳統(tǒng)硅芯片和晶體管制造電子產(chǎn)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(huì)優(yōu)先用于其他行業(yè)。去年，比爾及梅琳達(dá)-蓋茨基金會(huì)拿出10萬(wàn)美元獎(jiǎng)金，獎(jiǎng)勵(lì)利用石墨烯創(chuàng)造出更薄、更輕和更穩(wěn)固的安全套科學(xué)家。

汽車(chē)制造商正在探索研制機(jī)身采用石墨烯的電動(dòng)汽車(chē)，石墨烯不僅對(duì)機(jī)身起到保護(hù)作用，還將作為太陽(yáng)能面板為汽車(chē)供電。飛機(jī)制造商也希望利用石墨烯制造飛機(jī)。

如果這些還不夠，石墨烯或有助量子計(jì)算機(jī)的制造。麻省理工學(xué)院的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)正在利用石墨烯研究量子計(jì)算機(jī)，它將是未來(lái)計(jì)算行業(yè)的大市場(chǎng)。

總之，忘記塑料吧，石墨烯才是我們的未來(lái)。

從石墨烯入手

在團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究磷酸鐵鋰的時(shí)候，我們敏銳地察覺(jué)到，雖然與磷酸鐵鋰相關(guān)的學(xué)術(shù)研究已經(jīng)滿坑滿谷，可是國(guó)內(nèi)磷酸鐵鋰專利卻面臨隱患：兩大核心技術(shù)分別掌握在加拿大和美國(guó)公司的手中，國(guó)內(nèi)70%新能源整車(chē)企業(yè)及電池供應(yīng)商將來(lái)有可能會(huì)成為“被告”。因此我們認(rèn)為發(fā)展能夠突破核心專利壁壘的材料技術(shù)將對(duì)我國(guó)磷酸鐵鋰行業(yè)產(chǎn)生重要意義。

碳包覆技術(shù)是磷酸鐵鋰材料技術(shù)的核心專利之一，它屬于加拿大魁北克水電公司。我們?cè)谶M(jìn)行專利分析時(shí)，注意到該公司的碳包覆技術(shù)專利的權(quán)利要求書(shū)中特別指明選用有機(jī)碳源，這意味著如果采用非有機(jī)碳源包覆，就可能“精明地”繞開(kāi)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(jī)碳源都涵蓋進(jìn)去了，可謂幾乎滴水不漏。那么何種碳源可以繞開(kāi)這一專利壁壘呢？我們隨即聯(lián)想到石墨烯。于是，我們開(kāi)始了實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，大大提升了材料的倍率充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。盡管石墨烯復(fù)合技術(shù)依然處在實(shí)驗(yàn)室階段，但其可能蘊(yùn)涵的巨大商業(yè)價(jià)值讓我們毫不遲疑地申請(qǐng)了該技術(shù)的專利。

有了專利技術(shù)就要努力將其推向市場(chǎng)應(yīng)用，否則便會(huì)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(mén)的攻關(guān)小組，相繼建立公斤級(jí)小試實(shí)驗(yàn)線和百公斤級(jí)中試實(shí)驗(yàn)線，進(jìn)行石墨烯復(fù)合技術(shù)的可行性驗(yàn)證。結(jié)果表明與當(dāng)前市場(chǎng)上的磷酸鐵鋰相比，石墨烯復(fù)合技術(shù)綜合性能優(yōu)勢(shì)明顯。至此，我們的磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，一方面擁有石墨烯復(fù)合專利技術(shù)，另一方面形成了中試制備工藝，基本具備了產(chǎn)業(yè)化條件。

邁出轉(zhuǎn)移第一步

與此同時(shí)，陸續(xù)有企業(yè)和投資者對(duì)磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)化技術(shù)表示了濃厚興趣。在眾多接洽的企業(yè)中，寧波滬甬電力器材股份有限公司誠(chéng)意最足，決心最大。2011年3月，磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)化技術(shù)合作協(xié)議正式簽署，技術(shù)交易額近2500萬(wàn)元，據(jù)說(shuō)驚動(dòng)了不少鋰電行業(yè)人士。在我看來(lái)，這次與滬甬電力的合作，可能是一個(gè)值得品味的技術(shù)價(jià)值極大體現(xiàn)的案例。

為了順利推進(jìn)磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)隨后派出了三名技術(shù)骨干常駐新成立的專門(mén)從事磷酸鐵鋰生產(chǎn)的寧波艾能鋰電材料科技股份有限公司，實(shí)施“連人帶成果”的技術(shù)轉(zhuǎn)移模式。經(jīng)過(guò)一年多的努力，我們建成了年產(chǎn)千噸級(jí)磷酸鐵鋰生產(chǎn)線。

在磷酸鐵鋰研發(fā)即將進(jìn)入中試階段時(shí)，我意識(shí)到石墨烯復(fù)合磷酸鐵鋰技術(shù)產(chǎn)業(yè)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(tuán)隊(duì)下決心要發(fā)展出石墨烯低成本規(guī)模化制備技術(shù)。當(dāng)時(shí)，我們?cè)谑┲苽溲芯可喜捎昧藗鹘y(tǒng)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(fā)現(xiàn)，這條技術(shù)路線具有難于產(chǎn)業(yè)化的天生缺陷——制備效率低和廢水處理難。如此一來(lái)，石墨烯的制備成本極高，阿里巴巴網(wǎng)上這種石墨烯的價(jià)格高達(dá)5000元/克，且僅是克級(jí)供貨。我們當(dāng)初采用石墨烯改性磷酸鐵鋰時(shí)，每當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果不好，糟蹋浪費(fèi)了苦心準(zhǔn)備的一大杯石墨烯，總是十分心疼。為此，我極力鼓勵(lì)當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)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(biāo)瞄準(zhǔn)低成本規(guī)模化制備技術(shù)，爭(zhēng)取在磷酸鐵鋰中試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以持續(xù)穩(wěn)定提供石墨烯原料。團(tuán)隊(duì)反復(fù)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，采用新的化學(xué)剝離方法雖然可以輕松獲得石墨烯微片，但片層厚度達(dá)6~8納米。但我認(rèn)為他們努力的方向是對(duì)的，我再次鼓勵(lì)他們務(wù)必進(jìn)一步將片層厚度控制在10層以下，也就是進(jìn)入多層石墨烯的范疇。一段時(shí)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(shù)10層以下，且該制備方法可隨意放大，百克級(jí)石墨烯轉(zhuǎn)眼可提供。至此，一種多層石墨烯的低成本規(guī)模化制備技術(shù)基本確立。當(dāng)周旭峰把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢，并打算撰寫(xiě)論文時(shí)，我突然覺(jué)得我們沒(méi)有必要寫(xiě)論文，否則就把苦心創(chuàng)立的新技拱手奉送給他人了。最后，我們決定不發(fā)表論文，而是多申請(qǐng)幾項(xiàng)專利，以保護(hù)我們的石墨烯制備技術(shù)。

停止撰寫(xiě)論文的決定，緣于我發(fā)現(xiàn)在市面上叫賣(mài)的石墨烯產(chǎn)品其實(shí)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(jìng)爭(zhēng)力。因此，我決定首先建立一個(gè)石墨烯的千克級(jí)小試線，以確定該制備方法是否真的具有低成本規(guī)模化的潛質(zhì)。我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，按照想象，設(shè)計(jì)搭建了一套半連續(xù)的小試線。結(jié)果顯示，小試線不僅能輕松制備出千克級(jí)石墨烯材料，且石墨烯的品質(zhì)比用燒杯做得更高。我們?cè)?010年的最后一天，在寧波材料所網(wǎng)頁(yè)上發(fā)布了“石墨烯規(guī)模化制備技術(shù)中取得突破性進(jìn)展”的新聞，當(dāng)即引起外界熱議和轉(zhuǎn)載。

2011年開(kāi)春，我就抑制不住召集了一個(gè)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部緊急討論會(huì)，打算建立石墨烯的噸級(jí)中試制備實(shí)驗(yàn)線。當(dāng)時(shí)，連周旭峰都認(rèn)為這太瘋狂了，大家認(rèn)為建立中試線意義不大，且沒(méi)有足夠的科研經(jīng)費(fèi)，也沒(méi)有實(shí)驗(yàn)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(shù)才可能被投資者看中，也才可能快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，技術(shù)才可能具備商業(yè)價(jià)值，至于經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)室都好辦，錢(qián)可以借，場(chǎng)地可以外面租！與此同時(shí)，一個(gè)專門(mén)負(fù)責(zé)石墨烯中試實(shí)驗(yàn)的攻關(guān)小組成立，短短4個(gè)月后，我們正式對(duì)外界宣布石墨烯噸級(jí)中試線建成。接下來(lái)，便是持續(xù)的中試實(shí)驗(yàn)，以唐長(zhǎng)林博士為首的石墨烯攻關(guān)小組拿出了韌勁和拼搏精神，不斷改進(jìn)和完善制備工藝。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)鋰電池制作小組也不斷試用中試出來(lái)的石墨烯產(chǎn)品，探索其在鋰電池中作為導(dǎo)電劑的可行性和先進(jìn)性。

2012年9月，“石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)項(xiàng)目”獲得中國(guó)科技創(chuàng)業(yè)計(jì)劃大賽最高獎(jiǎng)——海外人才創(chuàng)業(yè)一等獎(jiǎng)。從此，許多投資者紛紛來(lái)訪，商談合作。上海南江集團(tuán)有限公司是最為果斷的，在雙方接觸的當(dāng)天，便表示愿意接受這一項(xiàng)目，并迅速提出了一個(gè)2億多元的技術(shù)轉(zhuǎn)移合作框架。為了表示誠(chéng)意，未等簽約其便將首期款項(xiàng)4000萬(wàn)元匯入寧波材料所。這么快的速度絕不代表草率與沖動(dòng)。在商議合作框架協(xié)議的過(guò)程中，南江集團(tuán)王總第一次寫(xiě)給我的郵件開(kāi)篇一句話是”一萬(wàn)年太久，只爭(zhēng)朝夕”，這表達(dá)了王總作為一名企業(yè)家、投資者，希望盡快把一個(gè)有前途的新技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化，愿意與我們團(tuán)隊(duì)“共同創(chuàng)造屬于中國(guó)人的榮譽(yù)與驕傲”的決心。王總的話語(yǔ)令我感動(dòng)，讓我鼓足勇氣迎接新挑戰(zhàn)，我要帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一起，把石墨烯推向產(chǎn)業(yè)化，去創(chuàng)造一種屬于新的現(xiàn)實(shí)，一種超越科技成果產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)實(shí)。