石墨烯應用領域不斷拓寬 多家公司布局

　　石墨烯是新材料領域一顆耀眼的新星。由于具備眾多優(yōu)異的力學、光學、電學和微觀量子性質，石墨烯有望在電子、新能源、高端制造、醫(yī)療等領域展開多種應用。未來下游應用市場有望達到萬億元級別，預計最先將應用于太陽能透明電極、散熱材料和觸摸屏等領域。

　　石墨烯目前處于產業(yè)化攻堅階段，在技術、工藝和產業(yè)鏈對接方面需要投入大量資源。產業(yè)化的關鍵和難點是相關材料的制備、轉移技術和上下游產業(yè)鏈整合。美國、英國、中國、日本和韓國等國家的產業(yè)化開發(fā)處于相對前列。

　　涉及石墨烯業(yè)務的上市公司較多，但均處于研發(fā)試驗或新涉階段，尚未對業(yè)績構成實質性影響。

　　新材料領域的重大突破

　　石墨烯是由單層碳原子構成的六角形蜂巢晶格的平面二維材料，結構穩(wěn)定，各項物理性質優(yōu)異。石墨烯的發(fā)現顛覆了凝聚態(tài)物理學界既往的二維材料不能在有限溫度下存在的觀念。

　　石墨烯具備眾多優(yōu)異的力學、光學、電學和微觀量子性質，是目前最薄也是最堅硬的納米材料，同時具備透光性好、導熱系數高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等眾多普通材料不具備的性能，未來有望在電極、電池、晶體管、觸摸屏、太陽能、傳感器、超輕材料、醫(yī)療、海水淡化等眾多領域應用，是最有前景的先進材料之一。

　　石墨烯材料分為兩類，一類是由單層或多層石墨烯構成的薄膜，另一種是由多層石墨烯構成的微片。石墨烯薄膜又分為單晶薄膜和多晶薄膜。其中單晶薄膜可以用于集成電路等電子領域，但是產業(yè)化尚待時日。而多晶薄膜有望在5-10年內實現產業(yè)化應用，替代ITO玻璃用于制造觸摸屏（特別是柔性制造屏）和其他需要透明電極的領域。除了純石墨烯之外，另外還有很多石墨烯衍生物，未來也會有較為廣泛的應用。

　　總體而言，石墨烯應用領域將主要集中在電子、新能源、生物醫(yī)療、高精度制造業(yè)、水處理等高精尖技術領域。

　　傳感器方面，納米傳感器尺寸小、精度高。原子級別的傳感器與普通傳感器相比，具備多種獨有的微觀性質，顯著拓寬了傳感器的應用領域。納米傳感器可廣泛應用于生物、化學、機械、航空、軍事等方面。納米傳感器主要包括納米磁敏傳感器、納米生物傳感器和納米光纖傳感器。納米傳感器尺寸主要取決于探針針頭大小，傳感器尺寸可顯著減小，同時感應時間大大縮短，滿足微觀高精度測量需要。隨著工業(yè)生產和環(huán)境監(jiān)測的需要，納米氣敏傳感器的研發(fā)獲得了長足的進展，未來有望率先實現商業(yè)化應用。

　　目前已經有用化學氣相沉積法在分散有催化劑的SiO2/Si基片上制得的單個的單壁碳納米管。此種碳納米管使得傳感器在復雜的氣體環(huán)境中具有選擇性，區(qū)分度和靈敏度較之傳統(tǒng)的傳感器顯著提升。

　　單壁碳納米管具有優(yōu)異的電子、機械、力學等性能，但是納米管制備一直是難點。實現結構和性質可控的制備是單壁碳納米管應用的基礎和關鍵，同時也成為碳納米管研究和應用發(fā)展的瓶頸。

　　石墨烯良好的電導性能和透光性能，使其在透明電導電極方面有非常好的應用前景。試驗證明，石墨烯比表面積高達2600平方米/克，導電性極高，且儲能效率是現有材料的近兩倍，是理想的電極材料。石墨烯在取代其他電極材料方面有廣闊的應用前景，即便是目前商用超極電容器使用的活性炭等材料，比表面積也不過1000-1800平方米/克，石墨烯的電學綜合性能顯著超越當前的各種材料。

　　傳統(tǒng)電極材料多采用ITO（銦錫氧化物）。銦元素價格昂貴，且較為稀有。行業(yè)正在尋找一種成本更低的材料以替代ITO。石墨烯以其獨有的導電透明性質成為備選材料。采用石墨烯制成的透明電極，不僅具備傳統(tǒng)電極的導電特性，同時還可以彎曲折疊，在搭建過程中可與建筑構成一體化，更加經濟和實用。透明導電電極不僅應用于太陽能領域，同時還可應用在觸摸屏、液晶屏、發(fā)光LED和超級電容等多種光電領域。目前全球實驗室將石墨烯電極應用至上述多類型產品，包括觸摸屏和超級電容。若能成功商業(yè)化，未來有望改變電子行業(yè)制造格局。

　　應用領域不斷拓寬

　　石墨烯是目前所知最薄、最強和導電性最好的材料。研究發(fā)現，通過建立三維堆疊多層異質結構的石墨烯能夠制成具備極為敏感的高效光伏設備，可以利用太陽能產生電力。未來有望采用石墨烯制成轉換效率更高的新一代太陽能電池。

　　從當前的研究進展來看，石墨烯不僅可以制成太陽能電池用的透明電極，同時還可以用作插入半導體層之間的中間電極。石墨烯最能發(fā)揮威力的領域是有機薄膜太陽能電池領域。在太陽能電池中使用石墨烯作為中間電極的優(yōu)點在于，石墨烯是透明的，而且與半導體層的相容性較高。

　　化學摻雜可以大大降低石墨烯面電阻并調整石墨烯的功函數，制成柔性更高的透明導電薄膜。石墨烯制成的透明導電薄膜，不僅具備導電、透明等太陽能轉換器件所必備的性質，還具備金屬材料所不具備的柔性。同時，此種薄膜具備對中遠紅外線高透性質，能顯著提升太陽能的轉換效率，是新一代太陽能電池的理想材料。當前多晶硅太陽能電池轉換效率為30%，理論上石墨烯太陽能電池有望將轉換效率提升到60%，未來太陽能電池有望實現小型化。石墨烯可以彎曲且透明，未來有望將石墨烯太陽能電池安裝在建筑物外墻，使太陽能用于日常照明和采暖等日常應用。

　　目前，在石墨烯光伏材料研究領域處于領先地位的廠商之一是富士電機。該公司正在積極開發(fā)采用石墨烯制成的太陽能電池透明導電膜。

　　超級電容器是基于高比表面積炭電極/電解液界面產生的電容、或者基于過渡金屬氧化物/導電聚合物的表面及體相所發(fā)生的氧化還原反應來實現能量存儲和轉換的電子元件。其構造和電池類似，主要包括正負電極、電解液、隔膜和集流體。

　　作為一種新型儲能裝置，超級電容器具有體積小、輸出功率高、充電時間短、使用壽命長、工作溫度范圍寬、安全且無污染等優(yōu)點，有望成為未來新型的電源裝置。要制造出高性能的超級電容器，電極材料是超級電容器的關鍵所在，決定著電容器的主要性能指標，如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。目前，納米結構的活性炭、碳化物轉化炭、碳納米管、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等均已用于微型超級電容器的電極材料。但是上述材料整體性能不能滿足微型能源系統(tǒng)的要求。同時，制造微型超級電容的光刻工藝復雜，生產周期長，成本高昂，一定程度上制約了超級電容商業(yè)化進程。

　　試驗證明，石墨烯有望成為新型高效的超級電容器電極材料。目前已經研究出以石墨烯為基礎的新型微型超級電容器，此類電容器外形小巧，充放電速率高，同時具備極佳的機械柔性。與傳統(tǒng)固態(tài)電解質相比，石墨烯電介質可顯著提升電容器容量及耐用時間，可以與薄膜型鋰離子電池相媲美。這種新穎的石墨烯微型電容器有望應用于MEMS系統(tǒng)、便攜式電子設備、無線傳感網絡、柔性顯示器，以及其多種生物體內電子設備的儲能器件。