[文章/科学与工业力量专栏作家陈晨]
非常流行几天前,华为的新P40专业版被华为的法国官方推特披露,它将使用“石墨烯电池”。国内石墨烯概念股立即飙升。据不完全统计,在华为证实这是“虚假消息”之前的第二天,石墨烯板的市值飙升了100多亿元根据
数据,石墨烯是目前世界上最薄、最硬、电阻最小的纳米材料,具有高导电性、高强度、超薄等特点,曾被称为革命性的“新材料之王”。同时,随着速度和功耗更高的5G手机的普及,“石墨烯电池”一度被视为“电池救世主”
近年来,华为、三星等企业投入巨资研发“石墨烯电池”,但目前技术进步和商业用途相对有限。“石墨烯电池”不是由石墨烯材料制成的整个电池,而是由石墨烯材料制成的电池电极。这将提高电池的效率和使用寿命,但很难颠覆锂电池技术。
但是,总的来说,中国的石墨烯产业目前处于世界领先地位。目前,中国有近2万家与石墨烯产业相关的注册企业和研发机构,从业人员数百万。中国在石墨烯上发表的专利申请和论文数量也是世界上最多的。从技术研发和规模化商业探索来看,石墨烯产业前景广阔。
石墨烯到底是什么?
石墨烯,顾名思义,是非常“薄”的石墨从狭义上讲,石墨烯是由碳原子排列成具有sp2杂化轨道的蜂窝状晶格构成的单层二维晶体,是一种只有一个碳原子厚度的二维材料。广义地说,10层内的石墨结构也可以称为石墨烯
石墨由石墨烯层堆叠而成将一片高度取向的热解石墨用专用胶带粘上,一层一层撕开,厚度只有一层碳原子,得到的东西就是石墨烯然而,厚度为1毫米的石墨含有大约300万层石墨烯,使得很难剥离单层结构。
物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫
2004年,英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯,并证实它可以单独存在。他们还因“二维石墨烯材料的开创性实验”分享了2010年诺贝尔物理学奖
石墨烯电池可在高达60摄氏度的温度下保持稳定,具有稳定且简单的物理结构,使该材料能够应对更恶劣的环境。同时,石墨烯结合了二维结构和碳物质的优良特性,也是目前发现的最薄、强度最强、电阻率最小、导电性和导热性最强的新型纳米材料。例如,
的热导率高达5300 W/m·K,高于碳纳米管和金刚石的热导率;室温下其电子迁移率超过15000 cm2/v·s,高于碳纳米管或硅晶体。而电阻率只有约10-6ω·cm,低于铜或银同时,它几乎完全透明,只吸收2.3%的光
因此,石墨烯被称为“黑金”或“新材料之王”,有望用于开发新一代电子元件或晶体管。一些科学家甚至预测石墨烯将彻底改变21世纪,并且很有可能引发一场席卷全球的颠覆性新技术和新产业革命。华为
创始人任也表示,未来10至20年将爆发一场技术革命。未来最大的颠覆事件是石墨烯时代取代了硅时代。任对石墨烯如此有前途的解释是,芯片有一个极限宽度,硅的极限是7纳米,接近边界,石墨已经开始触及技术革命的前沿。
据报道,石墨烯由于其在许多方面的优异特性而被广泛使用,并且可以应用于锂离子电池电极材料、薄膜晶体管、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏等方面。应用包括移动设备、航空航天、新能源电池和涂料、化学工业中的吸附和脱盐。
“石墨烯电池”
电池是石墨烯的主要用途之一“石墨烯电池”被认为是智能手机行业的下一个突破和创新方向。目前,手机制造商在锂电池中添加石墨烯,石墨烯的微孔结构可以储存锂离子,有效提高电池容量、充电速度、散热和使用寿命等。
华为在“石墨烯电池”技术研发方面有着悠久的历史早在2015年10月23日,华为就宣布与曼彻斯特大学合作研究石墨烯的应用。在项目开始时,合作将设定为两年,研究如何将石墨烯领域的突破性成果应用于消费电子和移动通信设备。
华为石墨烯电池技术
2015年11月13日,华为瓦特实验室在第56届日本电池大会上展示了快速充电技术成果,该技术可在5分钟内为3000毫安时的电池充电48%。华为表示,这种快速充电电池最大的突破是使用了一种新型的分子结构负极材料,包括石墨分子结构。当时人们普遍认为Mate 8将使用石墨烯电池,但事实并非如此。
次年,华为实现了研发成果的落地2016年12月5日,华为瓦特实验室在第57届日本电池大会上宣布推出业界首款高温长寿命“石墨烯基锂离子电池”。基于石墨烯的耐高温新技术可以将锂离子电池的使用温度上限提高10℃,锂离子电池的使用寿命是普通锂离子电池的两倍。
但是,“石墨烯基锂离子电池”主要用于通信基站华为当时表示,在热点地区使用石墨烯辅助高温锂离子电池的外部基站的使用寿命可达4年以上,给通信基站的储能业务带来了创新。此外,它还将有助于电动汽车在高温环境下长时间使用,以及无人驾驶飞行器在高温和高温下安全飞行。然而,这项技术与手机电池无关。
2018年10月16日,华为发布了Mate 20系列手机其中,经过几年的研发,装有Mate 20 X的电池创造性地采用了石墨烯+液冷散热组合系统,将芯片传递到后壳的热量分散到整个后壳,达到整机均匀散热的目的。这也是石墨烯技术自诞生以来首次应用于智能手机。
三星科学家展示石墨烯模型
值得一提。2017年11月,三星电子表示,其研究机构三星高级技术研究所(SAIT)成功合成了“石墨烯球”,可将电池容量提高45%,并可在12分钟内充满电,是当前标准的五倍。三星在英国杂志《自然通讯》上发表了这项研究,但它并没有应用于当时广泛流传的银河S9手机。
据报道,三星先进技术研究所已于2018年底完成“石墨烯电池”样品的生产,并已在韩国和美国申请专利。根据其他消息来源,三星预计最早将在今年或2021年推出一款革命性的手机,该手机采用石墨烯技术。目前,石墨烯应用于电池的主要方向有两个:一个是导电剂,另一个是电极的锂嵌入材料然而,这些“石墨烯电池”的充放电过程是通过锂离子的迁移来实现的,本质上仍然是锂离子电池,无论是用作导电剂、电极嵌锂材料,还是在锂离子电池中加入石墨烯来辅助散热。
因此,石墨烯电池相关技术在实际应用中的推广相对有限。“石墨烯电池”还没有被完全证明是合理的,也不是对网络上流通的锂离子电池的颠覆。然而,从技术水平来看,添加石墨烯的锂电池已经达到了目前研发和商业使用的“极限”。与锂电池相比,
“石墨烯电池”具有安全性大大提高、能量密度更高、占用空间更小、散热性更好等优点,不会出现传统锂电池因温度升高而发热、烫伤和着火的问题。智能手机电池技术的下一个创新有望是石墨烯技术的应用。值得一提的是,
还将被受里程困扰的新能源汽车公司使用。2014年,西班牙石墨烯初创公司石墨烯纳米公司与科尔多瓦大学合作开发了世界上第一个石墨烯聚合物电池。装有电池的电动汽车最多可行驶1000公里,充电时间不到8分钟。但是仍然没有“石墨烯电池”汽车
事实上,石墨烯电池技术的研发及其商业应用仍然面临一些问题首先,石墨烯电池技术必须从实验阶段进入大规模生产阶段,而且制备成本一直很高。石墨烯的价格高达每克5000元,比黄金贵10多倍。目前,高纯度石墨烯的价格仍在1000元/克以上,高导电性石墨烯的价格约为600元/克。
其次,石墨烯表面积太大,会给现有的锂离子电池工艺带来很多工艺问题,如分散和浆料均衡中国没有企业或研究机构能够实现石墨的批量生产。大多数企业只能少量生产石墨烯。使用的生产技术主要是氧化还原法。生产的石墨烯溶液还有许多技术问题需要突破。
是一个IBM石墨烯芯片
。此外,皇家墨尔本理工学院的研究团队在《自然通讯》杂志上发表的一份报告显示,他们使用最先进的扫描透射电子显微镜对市场上的商用石墨烯样品进行了详细的原子级检查,发现硅污染水平非常高,这对石墨薄膜的性能有很大影响。
值得注意的是,石墨烯没有“标准等级”,因为没有标准来判断所生产的石墨烯是否合格。由于石墨烯只有一层原子,特别容易受到表面污染,而硅污染使得石墨烯的性能不稳定,因此很难建立一个工业标准来规范石墨烯的性能指标
目前石墨烯技术仍处于初级阶段石墨烯的发明者获得2010年诺贝尔奖后,整个行业的启动也基本开始了。通常情况下,一项新技术将遵循科学研究-供应链-产品的过程目前,石墨烯技术在科学研究中尚未取得可以大规模落地的成果,工业技术和商业仍需突破。
石墨烯在中国有什么发展?
虽然石墨烯电池技术从实验阶段到大规模生产阶段仍面临成本高、工艺流程等问题,使用石墨烯技术材料的智能手机仍未取得理想效果,但一些机构预测,随着石墨烯制备技术大规模应用的进一步推广,市场将在5-10年内进入快速发展期。
5G将是加速石墨烯电池产业成熟的重要原因。目前,中国市场上有20多种5G手机,将来还会有更多。相比之下,5G手机速度更快,功耗更大等。为了提高电池容量和散热能力,石墨烯已经成为5G手机设计的焦点。除了手机电池,
石墨烯技术在许多领域也有市场前景。《2018-2019年中国石墨烯发展年报》数据显示,中国石墨烯产业化进程加快,产业前景广阔。它在复合材料、健康、储能、电子信息等许多领域的应用已经逐步扩大。
目前,中国石墨烯产业的规模已经处于世界领先地位。根据前瞻性产业研究所发布的《石墨烯产业深度市场研究和投资战略规划分析报告》的最新统计数据,预计2019年中国石墨烯市场规模将达到560亿元,2022年将达到2365亿元。
据不完全统计,中国目前有近2万家与石墨烯产业相关的注册企业和研发机构,从业人员数百万,且都在不断增加。与此同时,中国在石墨烯方面的专利申请和论文数量居世界首位。中国的石墨烯产能和应用成果也位居世界第一。基于此,石墨烯技术的概念一度在中国热。然而,随着市场对石墨烯认识的加深,石墨烯产业仍处于产业突破的早期阶段,不具备大规模的工业生产能力,这已逐渐成为共识。2018年,石墨烯相关企业的股票也表现不佳,资本热度开始消退,投资市场对石墨烯的理解变得平静。
然而,由于对石墨烯技术寄予厚望,相关概念股实际上正在“搅动”局势。2019年2月,三星宣布将于2020年发布“石墨烯电池”手机。自那以后,a股石墨烯板块在两个多月内上涨了近50%。12月24日,华为P40专业版《乌龙茶新闻》全天将石墨烯片的总市值增加了180多亿元。
据报道,目前有50多股a股涉及石墨烯概念,10多股直接涉及电池研发和生产其中,del future将在2019年追加20亿元人民币,投资含石墨烯超级电池项目和含石墨烯超级电池材料项目。道氏科技子公司的主要产品是石墨烯导电剂、碳纳米管导电剂和动力锂离子电池石墨负极产品。
可以说石墨烯是一个全新的产业,需要时间沉淀。它还需要在成本控制和实用技术领域取得重大突破,才能最终应用于电子设备。然而,随着低成本、高性能和大规模应用技术的突破,工业应用将从低端走向高端,从小规模走向大规模,石墨烯产业也将有一个美好的未来。
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