中國粉體網(wǎng)訊 石墨烯可以讓鋰電池充電只需10分鐘，讓電子元器件“延年益壽”；它是海工產(chǎn)品的防腐“重器”、石油完井工程的“好幫手”、鎂合金的“美容劑”、電動(dòng)自行車的“能量桶”
編者按
自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，世界多國對(duì)其制備技術(shù)和應(yīng)用研發(fā)爆發(fā)出空前熱情。石墨烯新材料產(chǎn)業(yè)也是我國大力支持的產(chǎn)業(yè)、山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重大工程確定的“十強(qiáng)產(chǎn)業(yè)”之一。青島是全國率先引入石墨烯新材料研發(fā)及制備的城市之一，并在全國擁有較高的產(chǎn)業(yè)地位。目前在青島圍繞石墨烯產(chǎn)品的研制都有哪些“神奇”的故事正在發(fā)生？本報(bào)記者進(jìn)行了一番梳理。
專家談石墨烯研發(fā)與應(yīng)用——
將“革命性地改變生活”開啟萬億級(jí)產(chǎn)業(yè)新時(shí)代
“石墨烯是世界上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，具有超高強(qiáng)度、超高導(dǎo)熱系數(shù)、獨(dú)特光學(xué)性能、超強(qiáng)導(dǎo)電性能等突出性能，被認(rèn)為‘未來材料的寵兒’，將開啟一個(gè)萬億級(jí)的產(chǎn)業(yè)新時(shí)代，革命性地改變?nèi)藗兊纳��！敝袊鴩H石墨烯創(chuàng)新大會(huì)主席、清華大學(xué)博士、青島德通納米技術(shù)有限公司董事長(zhǎng)蕭小月說。
“****”專家、山東省新材料領(lǐng)域?qū)＜�、青島瑞利特新材料科技有限公司董事長(zhǎng)侯士峰介紹，石墨烯的發(fā)展經(jīng)歷了基礎(chǔ)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)介入、產(chǎn)業(yè)化開始幾個(gè)階段，目前部分領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化逐漸繁榮起來。從未來的光電子器件到復(fù)合材料，從半導(dǎo)體材料到生物應(yīng)用，石墨烯研究幾乎涉及了材料領(lǐng)域的各種應(yīng)用。“石墨烯不僅僅是一個(gè)角色，更像是一個(gè)舞臺(tái)，物理學(xué)家、化學(xué)家、材料學(xué)家、醫(yī)學(xué)家……各種身份都能在這個(gè)舞臺(tái)上發(fā)現(xiàn)自己合適的角色。”侯士峰說。
侯士峰介紹，目前國際石墨烯工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域，主要集中于用石墨烯做添加劑的復(fù)合材料，如防腐涂料、電池導(dǎo)電劑等。也有一些在信息技術(shù)、半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的應(yīng)用，但目前尚未成熟。
中國有較為廣泛的制造業(yè)基礎(chǔ)，因此石墨烯應(yīng)用也主要集中于電池導(dǎo)電劑、散熱材料、防腐涂料、復(fù)合材料等行業(yè)，不過近年來石墨烯的研究和開發(fā)方向也逐漸向環(huán)境、器件等方向發(fā)展。尤其是青島，作為國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域第一集團(tuán)中的重要一員，目前在石墨烯功能與防腐涂料、電池導(dǎo)電劑、增強(qiáng)橡膠等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較好的發(fā)展，青島高新區(qū)、萊西、平度等都有相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)化布局。比如，擁有年產(chǎn)量5000噸高品質(zhì)石墨烯導(dǎo)電導(dǎo)熱劑生產(chǎn)線的青島德通納米技術(shù)有限公司，就是我國長(zhǎng)江以北最大的石墨烯漿料生產(chǎn)線基地及青島地區(qū)重要的石墨烯原料供應(yīng)商之一。
被譽(yù)為“石墨烯之父”的諾獎(jiǎng)得主安德烈·海姆教授曾這樣表示：“英國和美國是石墨烯研發(fā)方面的領(lǐng)頭羊，而中國毫無疑問是應(yīng)用與開發(fā)方面的先行者。”2016年，他與蕭小月教授達(dá)成一致，以合伙人和首席科學(xué)家的名義加盟青島德通納米技術(shù)有限公司，通過合作，逐步將石墨烯產(chǎn)業(yè)向國際化發(fā)展方向推進(jìn)。同時(shí)，為加速下游應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)，還成立了子公司青島德安新碳復(fù)合材料有限公司，針對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)度石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行開發(fā)與生產(chǎn)，推動(dòng)石墨烯復(fù)合材料在新能源汽車工業(yè)、航空航天、游艇及LED照明系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用。
石墨烯涂料：
海洋防腐的“重器”
“石墨烯的高導(dǎo)電導(dǎo)熱性能及其化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫特性在特種功能涂料領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景�！鼻鄭u德通納米技術(shù)公司總經(jīng)理助理王忠強(qiáng)說。
“石墨烯涂料的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了海洋工程重防腐涂料和電磁屏蔽涂料的產(chǎn)業(yè)升級(jí)�！蓖踔覐�(qiáng)介紹說，相對(duì)于常用的防腐涂料，公司研制的石墨烯涂料具有韌性好、附著力強(qiáng)、耐水性好、硬度高等特點(diǎn)，在保證防腐效果的同時(shí)，大大降低了成本。目前，產(chǎn)品已批量應(yīng)用于山東沿海海洋工程及市政工程設(shè)施等領(lǐng)域的涂裝保護(hù)，市場(chǎng)前景看好。
而在青島國際石墨烯 （青島）產(chǎn)業(yè)研究院基地，青島瑞利特新材料科技有限公司研發(fā)的石墨烯除醛涂料在家裝涂料領(lǐng)域的成熟應(yīng)用精彩呈現(xiàn)。瑞利特研發(fā)的抗甲醛涂料，利用化學(xué)方式，將室內(nèi)空氣中游離的甲醛分解成水和二氧化碳，同時(shí)可以降解氮氧化物等空氣污染。也就是說，這一款涂料不僅不會(huì)造成室內(nèi)甲醛污染，而且還兼具空氣凈化器的功能，將空氣中的甲醛進(jìn)行分解。目前，瑞利特已開拓了廣州、重慶、連云港、鹽城等近40家城市合作商，形成了超百家合作商的銷售網(wǎng)絡(luò)。2018年，將建成瑞利特石墨烯產(chǎn)品生態(tài)家體驗(yàn)館。
石墨烯復(fù)合高導(dǎo)熱硅脂：
讓電子元器件更長(zhǎng)壽
“公司開發(fā)的石墨烯復(fù)合高導(dǎo)熱硅脂，讓電子產(chǎn)品提高了使用可靠性，延長(zhǎng)了使用壽命。”青島德通納米技術(shù)公司總經(jīng)理助理王忠強(qiáng)介紹說。
作為德通公司自主研發(fā)的石墨烯下游應(yīng)用產(chǎn)品的石墨烯復(fù)合高導(dǎo)熱硅脂，是添加石墨烯混合導(dǎo)熱填料復(fù)合而成的膏狀物，具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)功能，是電子元器件理想的導(dǎo)熱介質(zhì)材料。涂抹于電子、電氣裝置的散熱器裝配面，幫助填充功率器件與散熱器之間接觸面的空隙，從而產(chǎn)生更好的導(dǎo)熱作用，降低動(dòng)率器件的工作溫度，提高產(chǎn)品可靠性并延長(zhǎng)使用壽命。
王忠強(qiáng)說，這個(gè)產(chǎn)品可廣泛涂覆于各種電子產(chǎn)品、電氣設(shè)備中的發(fā)熱體（功率管、可控硅、電熱堆等）與散熱設(shè)施（散熱片、散熱條、殼體等）之間的接觸面，起傳熱媒介作用，適用于微波通訊、微波傳輸設(shè)備、微波專用電源、穩(wěn)壓電源等各種微波器件的表面涂覆。此類硅材料對(duì)產(chǎn)生熱的電子元件，如晶體管、CPU組裝、熱敏電阻、溫度傳感器、汽車電子零部件、汽車冰箱、電源模塊、打印機(jī)頭等具有極佳的導(dǎo)熱效果。
石墨烯基鋰離子電容器：
國際先進(jìn)的青島“能量桶”
作為國內(nèi)第一條鋰離子電容器的中試生產(chǎn)線，位于平度的中科院青能所中試基地成功生產(chǎn)了石墨烯基鋰離子電容器，2016年中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的專家鑒定認(rèn)為其總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，目前該產(chǎn)品已應(yīng)用于城市電動(dòng)自行車。
“我們研發(fā)出的石墨烯基鋰離子電容器，兼顧較高功率和較高能量密度，快充快放，非常適合作為‘能量桶’�！毖邪l(fā)負(fù)責(zé)人告訴記者，鋰離子電容器是一種兼具雙電層超級(jí)電容器高功率特性與較高能量密度特點(diǎn)的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，其團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的高容量3500法拉第/4伏型鋰離子電容器含有石墨烯，因此與相同體積的普通電容器相比，容量更大，充放電時(shí)間更短。
據(jù)悉，城市軌道交通、城市電動(dòng)汽車、電動(dòng)大巴、船舶平臺(tái)、水下潛器等領(lǐng)域的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，迫切需求石墨烯基鋰離子電容器這種高能量密度與高功率密度兼顧的 “能量桶”。中科院青能所具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的石墨烯基鋰離子電容器，所有關(guān)鍵材料都是我國技術(shù)人員自主開發(fā)或是國內(nèi)采購。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，市場(chǎng)規(guī)�？蛇_(dá)數(shù)十億元。
基于中科院青能所技術(shù)支撐的平度同和街道中科華仁石墨新材料產(chǎn)業(yè)園也正在穩(wěn)步推進(jìn)，規(guī)劃的石墨烯及相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模100億元。
石墨烯涂層：
提高鎂合金顏值的“秘方”
表面粗糙，且都被氧化發(fā)黃，即使是新件看上去也像是要報(bào)廢的產(chǎn)品一樣，這種對(duì)傳統(tǒng)鎂合金棒的認(rèn)知，在青島高新區(qū)石墨烯產(chǎn)業(yè)園的卡爾奔新材料公司被顛覆——卡爾奔生產(chǎn)出來的鎂合金棒，表面光滑平整、如鏡面亮潔。
技術(shù)主要發(fā)明人姜海濱告訴記者，能把鎂合金棒做得這么光潔，秘訣就在于模具上接觸鎂合金的位置上，有一小片石墨烯涂層。在鎂合金熱擠壓模具表面生成的這一層僅有幾百納米厚度的石墨烯涂層，使模具不僅耐高溫，還有高硬度、低摩擦系數(shù)等優(yōu)良特性，避免擠壓出的鎂合金型材組織結(jié)構(gòu)不均勻和表面氧化的現(xiàn)象，同時(shí)提高鎂合金型材的擠壓速度30%以上。
“國內(nèi)有很多高校和實(shí)驗(yàn)室都在研究解決鎂合金變形難題，共同的難點(diǎn)是加在模具上的涂層在高溫環(huán)境中很容易脫落。我們的涂層則不同，是通過營(yíng)造特殊的環(huán)境，使材料‘生長(zhǎng)’在模具表面�！苯I介紹說，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，石墨烯涂層模具完全能實(shí)現(xiàn)1毫米以內(nèi)鎂合金型材的擠壓，也為實(shí)現(xiàn)高端鎂合金型材產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)保障。
“石墨烯的這一應(yīng)用帶來了整個(gè)鎂合金產(chǎn)業(yè)的升級(jí)。”姜海濱表示。
石墨烯導(dǎo)電劑：
充電2小時(shí)縮短到10分鐘
在鋰離子電池中，石墨烯主要應(yīng)用方向有三種，分別是作為正負(fù)極材料導(dǎo)電添加劑，用在銅箔或鋁功能涂層以及作為電極材料。位于平度蓼蘭鎮(zhèn)的青島昊鑫新能源科技有限公司，正進(jìn)行著國家“青年****”專家、復(fù)旦大學(xué)博導(dǎo)董安鋼主持研發(fā)的石墨烯及碳納米管導(dǎo)電劑項(xiàng)目。
董安鋼介紹，他和他的團(tuán)隊(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是革新了石墨剝離、分散兩步關(guān)鍵工藝，生產(chǎn)的石墨烯導(dǎo)電劑兼具生產(chǎn)成本低、雜質(zhì)低、添加量少、導(dǎo)電性好、提高電池容量和循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)�！皳�(jù)測(cè)算，我們供貨的一家企業(yè)如果所有導(dǎo)電劑換成石墨烯導(dǎo)電漿料，每月能節(jié)省成本2500萬元�！倍蹭撟院赖卣f。
“用石墨烯做導(dǎo)電劑，動(dòng)力鋰電池的充電時(shí)間將從2小時(shí)縮短到10分鐘�！标祸涡履茉醇夹g(shù)總監(jiān)張曉鴻告訴記者，在同等條件下，石墨烯的電阻率是傳統(tǒng)材料碳納米管的十分之一，是導(dǎo)電炭黑的四十分之一，導(dǎo)電效果顯著，同時(shí)電池衰減度顯著優(yōu)于其他導(dǎo)電劑。作為全球?yàn)閿?shù)不多的擁有從石墨原礦開采到最終產(chǎn)品完整產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)，目前昊鑫新能源為比亞迪和國軒供應(yīng)石墨烯導(dǎo)電劑，全套現(xiàn)代化工藝和設(shè)備年產(chǎn)天然石墨負(fù)極8000噸、人造石墨負(fù)極5000噸、碳納米管500噸、石墨烯 500噸。
多功能形狀記憶性彈性體：
石油完井工程的“好幫手”
位于青島高新區(qū)的青島安固強(qiáng)石墨烯科技有限公司研發(fā)的多功能形狀記憶性彈性體，打開了石墨烯材料應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域。
這種通過將熱致型形狀記憶性彈性體與三種不同維度的導(dǎo)電性能物質(zhì)（導(dǎo)電炭黑、碳納米管、石墨烯）復(fù)合，從而研發(fā)出的一類在電、熱外界刺激后具有形狀恢復(fù)能力的智能材料，是安固強(qiáng)科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)石油完井工程的市場(chǎng)需求，開發(fā)和制備出的石墨烯衍生下游應(yīng)用產(chǎn)品中間體及官能化高分子材料。其關(guān)鍵技術(shù)是在不破壞導(dǎo)電納米材料的結(jié)構(gòu)和高分子彈性體形狀記憶性功能的基礎(chǔ)上，使導(dǎo)電納米材料均勻分散并與化學(xué)交聯(lián)的形狀記憶性材料形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
“傳統(tǒng)石油完井工程中，分層采油時(shí)使用傳統(tǒng)橡膠膨脹封隔器，下到設(shè)計(jì)位置后，要從井口向油管內(nèi)加壓使橡膠封隔器膨脹封堵，或加壓到規(guī)定的壓力將卡瓦撐開，通過機(jī)械力壓縮膠筒使其膨脹，連接打壓裝置使工作效率極低。但有了這款形狀記憶性智能封隔器，井下膨脹無需井上打壓和下機(jī)械制動(dòng)裝置到幾千米以下的封堵區(qū)，也不依賴于水或者油使之溶脹，設(shè)計(jì)好變形溫度的形狀記憶性彈性體材料可在指定位置利用已探知的溫度自動(dòng)變形膨脹實(shí)施封堵。”安固強(qiáng)常務(wù)副總經(jīng)理李克強(qiáng)說，該科研技術(shù)還可以應(yīng)用在建筑、醫(yī)療、包裝、汽車、玩具等領(lǐng)域。
石墨烯漿料和粉體：
工藝領(lǐng)先的“綠色制造”
位于萊西的青島德通納米技術(shù)有限公司自主研發(fā)的石墨烯綠色物理生產(chǎn)工藝在國內(nèi)獨(dú)樹一幟，在國際國內(nèi)相關(guān)行業(yè)都具有獨(dú)特性和領(lǐng)先性。
“工藝保存了石墨烯完整的晶格結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱等物理性能，并克服了因化學(xué)生產(chǎn)工藝而帶來的環(huán)境污染和安全隱患，且大幅度降低了石墨烯的生產(chǎn)成本�！鼻鄭u德通納米技術(shù)公司總經(jīng)理助理王忠強(qiáng)說。
公司的主打產(chǎn)品——石墨烯漿料和石墨烯粉體便是公司通過物理法研發(fā)出的原材料�！跋裎毒粯犹砑拥匠Ｒ�(guī)產(chǎn)品中，可以顯著提升性能�！蓖踔覐�(qiáng)告訴記者，將少量石墨烯添加到橡膠中，導(dǎo)熱系數(shù)可提高25到30倍，不僅提高了輪胎的安全系數(shù)，而且有效延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。
據(jù)介紹，石墨烯漿料具備超強(qiáng)的分散性、優(yōu)異的穩(wěn)定存放性、極高導(dǎo)電導(dǎo)熱和極強(qiáng)的吸附能力，可廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能和動(dòng)力電池、新能源、太陽能、電子元件、電子工藝工程、印刷、抗靜電、電磁屏蔽、符合材料等領(lǐng)域。
石墨烯粉體較好地保存了石墨烯完整的晶格結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱物理特性，還原性好，分布均勻，性能穩(wěn)定；容易與其它材料如高分子樹脂和橡膠等均勻符合，具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、良好的潤(rùn)滑、耐高溫高鹽和抗腐蝕性，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，前景廣闊。
