薄膜开关石墨烯

石墨烯自2004年被英国曼彻斯特大学两位科学家发现后,很快因其强度高、韧性好、重量轻等众多惊人的优良性能而被世人关注。2010年,两位科学家因该发现而被授予诺贝尔物理学奖。近十年来,有关石墨烯的研究炙手可热,石墨烯也因其在能源、生物技术、航天航空等领域具有极其广泛的应用前景而被认为是“具有革命性意义的材料”、“二十一世纪的材料之王”。有专家预计,未来5至10年,全球石墨烯产业规模将超过1000亿美元。

根据相关研究报告,石墨烯(Graphene)是一种由C原子经sp2电子轨道杂化后形成的蜂巢状的准二维结构,是C元素的另外一种同素异形体。与其他新材料相比,石墨烯具有众多优良的特点,如载流子迁移率高、电流密度大、强度高、导热率高、超薄超轻超硬,同时具有高性能传感器、可强化电子输送、催化剂、吸氢、双极半导体、无散热传输等功能。由于石墨烯的性能优良、功能众多而被广泛应用到锂电子电池、超级电容、导电油墨、触摸屏、软性电子、散热、涂料、传感器等领域,此外,在高频电子、环保、光电、聚合物、海水淡化、太阳能电池、燃料电池、催化剂、建筑材料等领域,也能发现石墨烯的身影。有专家预计,未来几年内,石墨烯将主要用于“导电油墨”、“防腐涂料”、“散热材料”、“锂电池”、“超级电容”等五大领域。

领域一:导电油墨

导电油墨是用导电材料制成的油墨,具有一定程度导电质,可作为印刷导电点或导电线路之用。近年来在手机、玩具、薄膜开关、太阳能电池、远红外发热膜以及射频识别技术等行业中应用越来越广泛。过去数十年,导电油墨最大的下游是太阳能电池以及显示器件。未来包括触摸传感器及其电极、RFID以及电子纸张的应用也将同时保持增长。

石墨烯导电油墨具有强大优势,发展前景看好。导电油墨属于填充型复合材料,是印刷与烧结处理后具有导电性能的油墨。石墨烯应用在油墨的优势主要有两点:一是兼容性强,石墨烯油墨可在塑料薄膜、纸张及金属箔片等多种基材上实现印刷;二是性价比高,与现有的纳米金属导电油墨相比,石墨烯油墨具有较大的成本优势。

由于石墨烯的良好性能,其制成的油墨具有电阻小、导电性强以及光学透明性高等特点,在各类导电线路以及传感器、无线射频识别系统、智能包装、医学监视器等电子产品中有广泛应用。2015年导电油墨的产量也已达到80万吨。预计到2015年导电油墨产量将达到130万吨,随着石墨烯的生产技术成熟、成本降低,石墨烯导电油墨将逐渐占据市场份额。预计到2020年导电油墨领域石墨烯应用市场规模达到2亿元。

领域二:防腐涂料

目前国内防腐涂料消费量近180万吨,占世界防腐涂料总消费量的40%以上。我国防腐涂料需求主要集中在船舶、石油化工、桥梁、集装箱等领域。涂料中添加石墨烯后,石墨烯能够形成稳定的导电网格,有效提高锌粉的利用率,从实际效果来看,添加约5%的石墨烯粉,可减少50%锌粉的使用量。同时,石墨烯涂层能在金属表而与活性介质之间形成物理阻隔层,对基底材料起到良好的防护作用。

近年石油化工、铁路交通、新能源、基础设施建设等更是蓬勃发展,为防腐涂料提供了广阔的市场空间。我国石墨烯新型防腐涂料,已于2015年3月20日在江苏道森新材料有限公司成功研发,并已应用于海上风电塔筒的防腐,近来已有很多企业均开发出相关产品并在各类防腐领域应用。未来石油化工、铁路交通、新能源、基础设施建设等更是蓬勃发展,为防腐涂料提供了广阔的市场空间。预计到2020年防腐涂料领域石墨烯应用市场规模达到5~8亿元。

领域三:散热材料

电子和光子器件的散热是影响电子技术发展的主要问题,手机、电脑、微型电路等设备的散热主要通过各类散热片来解决。目前,市场中的电子产品的散热片主要是石墨散热片。但是,石墨烯导热片的导热快、可折叠等性能要远远优于石墨片,极佳的散热材料如热导纤维、热导塑料等,并且技术难度小、工艺相对成熟,存在快速进入市场的机会。尤其在智能手机领域,手机要求轻薄、便携,未来要求可折叠,因此石墨烯导热膜具有极大优势。预估未来采用石墨烯散热膜进行散热的散热组件占总电子产品及LED产品市场的10%,即可为石墨烯散热膜带来15-20亿左右的市场空间。

领域四:锂电池

石墨烯在锂离子电池中的应用比较多元化,目前已经实现商业化的是用在正极材料中作为导电添加剂,来改善电极材料的导电性能,提高倍率性能和循环寿命。目前比较成熟的应用是将石墨烯制成导电浆料用于包覆磷酸铁铿等正级材料。正极用包覆浆料目前主要包括石墨浆料、碳纳米管浆料等,随着石墨烯粉体、石墨烯微片粉体量产、成本持续降低的情况下,石墨烯浆料将呈现更好的包覆性能。石墨烯浆料将随锂电池增长而稳步上升。锂离子电池主要应用于手机、笔记本电脑、摄像机等便携式电子器件等方面,并积极地向电动力汽车等新能源汽车领域扩展,具有长期发展前景。

由于石墨烯对于电池性能有诸多提升作用,对动力电池性能要求的不断提升必将拉动石墨烯在电池领域的发展。同时石墨烯电池行业规模有望充分受益于动力电池的放量,分享新能源汽车行业的增长。

领域五:超级电容

石墨烯的电导率高、比表而积大、且化学结构稳定,表而更有效的释放,有利于电子的渗透和运输,更加适合作为超级电容器电极材料。目前,我国已经实现石墨烯超级电容器的投产,技术上已经完全可以实现石墨烯超级电容器的生产。

根据美国IDTechEx公司报告,全球超级电容器市场将从2013年的8亿美元增长到2018年的31.3亿美元,年复合增长率达到30.2%。而石墨烯基超级电容器的产业化也在不断推进:在国内,中国中车研发的3伏/12000法拉石墨烯/活性碳复合电极超级电容和2.8伏/30000法拉石墨烯纳米混合型超级电容已经获得中国工程院鉴定,整体技术达到目前世界超级电容单体的最高水平。根据测算,2016年中国超级电容器市场规模将突破30亿元,预计2020年中国超级电容器市场规模将超过60亿元。石墨烯在超级电容市场潜在应用规模达到3~5亿元。

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