石墨烯三个阶段:锂离子电池正经历黎明前的黑暗

2021-10-12      790 次浏览

从经济学的角度来看,需求拉动供给时,经济很健康,反过来供给规模推动需求时,经济就不能健康发展。因此,石墨烯的应用比石墨烯的制备更重要。


在前面的文章《论石墨烯行业发展的三个阶段》里面(见附录),提到我国石墨烯行业现状是制备规模远远大于市场规模。也就出现石墨烯制备规模虚假繁荣的现象。刘忠范院士也承认这一点。


氧化还原制备石墨烯的环保问题,简单的讲制备1克氧化还原石墨烯RGO,要1克鳞片石墨、1克硝酸钠、5克高猛酸钾、50毫升硫酸、500毫升水、50毫升盐酸和酒精、0.7克水合肼(有剧毒),最后出现600克废酸,100吨/年出现60000吨废酸。环保压力不小啊!所以,无论从环保角度看,还是从供给大于需求的压力看,都要谨慎投资石墨烯制备。


那么,仓库里堆满了石墨烯,怎么办?四个字“自产自销”。石墨烯由于才十年的历史,因此带有浓厚的学术气息,现在还没有走出象牙之塔。所谓“自销”就是“销自”,卖给自己做应用。石墨烯有那么应用呢?从矮挫丑到高大上(圈圈语)大概列一下。图1,图2.


图1.我国专利应用分布


图2.全球专利应用分布


这是来自北京国之专利预警咨询中心的数据,从专利应用分布可以看出,有锂电(动力锂离子电池)、超级电容器、微电子、触摸屏、催化剂、太阳能电池等。先看锂电没有大的突破。图3.


图3.比亚迪的磷酸铁锂离子电池电动汽车技术参数


估计这个锂电是否用上石墨烯,38小时的充电时间,显然民用不了。祝愿比亚迪尽早有更好的电动汽车出现。看样子,石墨烯或者碳管锂离子电池要突破还有时日,不过吉仓和碳世纪经过几年的时间上的积累,石墨烯活性炭将在今年年底,在常州投产,水系电容量300法拉/克,石墨烯锂离子电池在两个月后,将做出样品。初步数据,能量密度>30%的提升,循环次数2400次。预计跟超级电容器相同,锂离子电池在3到5年时间会有突破,目前也算是黎明前的黑暗吧。石墨烯触摸屏早期最热的是CVD法膜,但是现在进展不大,重要价格太贵,转移障碍,制约了持续生产,另外触摸屏要加上接触半导体,这也是障碍。常州二维碳素在石墨烯触摸屏手机上做了大量的有益的尝试,图4.我尝试了一下,总体感觉还不错,毕竟从无到有。相信二维一定能在性能上和成本上有所突破。


石墨烯复合材料是巨大的市场。有石墨烯、碳管要和金属复合的,还有复合陶瓷的。防弹衣要提高抗拉强度、剪切模量,抗静电、导电塑料、导电涂料要导电性、LED散热、各种散热器要提高导热散热性,这些都为石墨烯供应了广阔的天地。高分子用途十分广泛,天上飞的、地上跑的、水里游的都会用上高分子材料。各种字母组合在一起,眼花缭乱的就组成了各种高分子的名称。石墨烯、碳管复合尼龙已经有卖。但其他高分子材料,公司石墨烯复合遇到了阻力。在微电子方面,石墨烯应用还没有产业化的消息,在研究上面有些进展,各种剪切制备纳米带、戴宏杰研究组、宫建茹组的氮掺杂、石墨烯晶体管等,这些离产业化非常遥远,例:图5.2010年IBM1000GHZ石墨烯晶体管。


图5.IBM1000GHZ的石墨烯晶体管


总之,石墨烯应用前景光明、市场巨大是未被开发的宝藏,只要我们在石墨烯应用上,多花些精力、少些炒作、多些静心、少些浮躁,石墨烯行业一定能够将康稳定的发展。


附录:论石墨烯行业发展的三个阶段


石墨烯行业发展要经过三个阶段:石墨烯在实验室阶段、石墨烯在厂阶段、石墨烯进入百姓家阶段。


第一阶段是石墨烯在实验室阶段。


这个阶段的特点是石墨烯的制备和石墨烯的市场都在实验室。研究人员最早成为石墨烯的消费者,向石墨烯的制备提出了微小制备规模。供应单位为毫克和克级。由于早期石墨烯的制备较为繁琐,因此制备的任务也就由科研院所的研究人员承担,形成了第一阶段。


2010年,一些媒体说石墨烯价格4000-5000元/克,引起轰动。石墨烯这么值钱~!其实不是它值钱,而是它处于第一阶段的早期,两头都在实验室,所以贵。早期,质差价贵价格4000元/克,现在质优价廉200元/克(当然还要再低。)


第二阶段是石墨烯在厂阶段。


这个阶段的特点石墨烯的生产和市场重要都在厂。在第一阶段的基础上,随着石墨烯制备技术的提高,厂对石墨烯的兴趣新增。也就是说石墨烯由科研院所实验室走向厂的项目实验室。石墨烯在厂的项目实验室成熟之后,向石墨烯的制备提出了规模要求。这样石墨烯的制备就有实验室走向中试厂,从而达成石墨烯在厂的第二阶段。


第三阶段是石墨烯在百姓家阶段。


石墨烯市场在厂之后,早期石墨烯被用于生产资料的生产,然后再到消费资料生产,最后形成石墨烯在百姓家阶段,从而使千家万户能收益于石墨烯所带来的便利。第三阶段就是真正的石墨烯时代。


对我国石墨烯行业的回顾:


石墨烯行业发展阶段不是严格的割裂开的,而是交替并存的。2004年到2009年,算是第一阶段。从厂制备石墨烯来看,其中陈永胜老师的普兰纳米成立于2009年(这个是我国石墨烯行业开始迈向第二阶段的标志),第六元素、二维2011年,北京碳世纪2012年,宁波墨西2012年,苏州格瑞丰2012年。虽然2009年就开始厂生产了,但是由于市场落后于制备,所以石墨烯制备的规模被制约。也就是出现制备规模虚假繁荣。因此,目前处于身子在第一阶段,一只脚已经踏上了第二阶段。


对目前我国石墨烯行业现状的判断及应对办法:


目前我国石墨烯行业处于在第一阶段,和将要进入第二阶段的状态。具体表现是制备规模远远大于市场规模。也就出现制备规模虚假繁荣的现象。普兰纳米3吨/年、墨西的400吨/年、格瑞丰30吨/年、六元素100吨、常州碳世纪2吨/年,加其他的在一起总共500~600吨/年,但是市场在哪里呢?


短时间应对办法是,科研人员石墨烯实验的重点,由其他方向转为石墨烯应用方向。石墨烯生产公司,加强和下游公司合作,共同进行大量石墨烯应用的项目实验。政府加大对石墨烯应用型实验的资金、政策的支持。长期应对办法,政府加大力度,打击对专利的侵权行为和盗窃技术行为,以提高各公司对新技术的投资兴趣。以免公司投入大量的财力、物力、时间所得到的技术,被侵权或者盗窃,以至于无法回收前期的投入,造成公司无法形成良性循环。只有防止这种情况,公司才能有兴趣对石墨烯应用进行投入,得到石墨烯应用新技术,并以此新技术获得回报,并有能力再投入,从而使石墨烯应用得到稳定的发展。


对我国石墨烯行业未来的预测:


未来5年内,我国石墨烯行业的任务是完成从第一阶段进入第二阶段,即制备和市场都在厂阶段。最先石墨烯市场突破会出现在:石墨烯改性锂电、石墨烯超级电容器、树脂石墨烯复合材料、金属石墨烯复合材料、石墨烯复合涂料等几个方向。这几个方向或其他方向,假如出现规模批量生产的产品,就算是开始进入第二阶段。


最后我要说的是,我国石墨烯行业结构单一,大部分集中在粉体规模制备。在石墨烯电路、石墨烯芯片或者类似石墨烯结构的芯片的方面,都鲜有介入。不久的将来,硅即将退出,而石墨烯或者类似石墨烯结构新材料即将登台的时候,我国假如丧失这个机遇,将会造成巨大的遗憾。


责任编辑:慧子



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