石墨烯因其在电学、力学、导热散热、光学、高比表面积等方面表现出优异的性能,使其在电子信息、储能、节能环保、特种航天等领域拥有巨大的应用潜能,成为近年来的研发热点之一。
随着产业的发展,国家政策以市场为导向,逐步进行调整,多部门合力推进,发布了一系列相关政策进行系统布局。据CGIAResearch统计,2012年至2017年间,国家层面相关政策数量达20余条,地方层面相关政策数量达140余条。
近年来,中国在石墨烯应用技术方面的研究持续增长,主要集中在储能、电子器件、水处理、气体处理、化工、医疗、检测、特种航天等。化工、储能和电子器件领域的石墨烯相关专利申请数量占比位居前三,三者合计占比接近90%,成为国内石墨烯应用的主要领域。
石墨烯专利在储能领域中主要集中在锂离子电池领域,锂离子电池相关的专利数为3077个,占据市场份额的40%以上。锂离子电池领域技术研发较多的原因在于,石墨烯具有优良的导电性、能够缓解电极材料的体积膨胀等,从而大幅提高动力电池的性能,因此石墨烯在锂离子电池的正极、负极、集流体、隔膜、导电添加剂等方面应用较广,未来市场前景尤为广阔。
其次,超级电容方面的专利数也较多,为1331个,占比为17.5%。
我国是锂离子电池最主要的生产国之一。2014年,我国锂离子电池产量达52.87亿只,占全球总产量的71.2%,已连续10年位居全球首位。截止至2018年底,我国锂离子电池产量达到139.87亿只,比2014年增长了一倍多。伴随锂电池生产厂家在技术上的革新,性能和安全性的提升,人们对锂电池的需求仍会不断增长,预计到2024年,我国锂电池行业市场规模将超过1500亿元。
目前石墨烯在锂电池中的添加形式主要有导电添加剂、电极复合材料及直接作为负极材料三种形式。其中,石墨烯导电添加剂的导电、放电性能远远优于传统导电剂,其在制备过程中不涉及复杂的合成过程,因此可控性较强,难度较低,成功率较高,目前石墨烯导电剂研发技术已经相对成熟。
据石墨烯产业联盟数据显示,2017年石墨烯导电剂价格为230美元/千克,与碳纳米管导电剂价格大致相同,预计到2020年石墨烯导电剂价格将降至113美元/千克,而碳纳米管价格将维持在200美元/千克的水平,石墨烯导电剂的价格优势将逐步显现。
■石墨烯在锂离子电池领域应用仍存一些问题:
1石墨烯制备过程中片层容易堆积,降低了理论容量。
2首次循环库伦效率较低,大量锂离子嵌入后无法脱出,降低电解质和正极材料的活性。
3锂离子的重复嵌脱使得石墨烯片层结构更加致密,锂离子嵌脱难度加大而使得循环容量降低。
4石墨烯振实密度较低,降低电池的功率密度。