石墨烯現(xiàn)行產業(yè)化的2個經典案例

現(xiàn)如今，石墨烯已成為基礎研究和應用技術領域中最受關注的材料之一，而其中一個主要原因就是石墨烯具有諸多優(yōu)良特性。實際上，我們常說的“石墨烯”，是具有不同結構、形貌、有時甚至不同化學組成的一系列材料的總稱。這些 “石墨烯”的不同性質與其制備方法息息相關，尤其給非專業(yè)人士帶來極大的困擾；但同時也正是這些豐富特性，使得石墨烯在涵蓋了一系列技術、成本和制備方法的眾多領域大放異彩。

不同形式的石墨烯材料可根據(jù)應用和技術的要求，選用不同制備方法得到。這些不同的制備方法給技術人員和產品工程師帶來了嚴重的困擾，而石墨烯形態(tài)的多樣化直接導致了在石墨烯應用上大量不一致、甚至相互矛盾的結果。為在應用技術及材料制造上實現(xiàn)和科學界一致的理解，石墨烯在商業(yè)化過程中應當盡可能將自身融入現(xiàn)有技術和供應鏈之中，并對標現(xiàn)存的規(guī)則和制度。石墨烯材料和產品制造商必須建立與消費者之間的有效溝通機制（材料與產品制造商之間同樣需要），以構建具有快速、有效改變石墨烯性質能力的且不顯著改變現(xiàn)有技術鏈的體系。

（圖片來自網絡） 盡管從實驗室走向產業(yè)化困難重重，但石墨烯已經實現(xiàn)若干產品化規(guī)模應用的成功案例；這通常需要下游的產品制造商和上游的石墨烯材料供應商共同投入時間、資金，面向特定應用對石墨烯材料的特征進行定向開發(fā)。該過程需解決的典型問題包括：確保新材料性能參數(shù)的良好重現(xiàn)性、生產設備的兼容性、制造流程方面的技術障礙。在這一過程中，材料供應商和產品制造商間的有效協(xié)同，不僅可以對原材料供應參數(shù)進行嚴格界定（這些參數(shù)常會轉變?yōu)槠髽I(yè)和工業(yè)標準），也會對生產過程提出要求。

這里我們給出兩個例子。 導熱散熱產品案例 第一個應用與石墨烯的高熱導相關。石墨烯研究中報道的高達5000W/m K的熱導率數(shù)值很可能是所有材料中最高的。與此同時，傳熱與散熱是現(xiàn)代電子技術中最重要的難題之一：晶體管的微型化與時鐘頻率的增加使得現(xiàn)代電子技術的散熱需求逐步增加，以致對高效冷卻的強烈訴求。為實現(xiàn)高效散熱，高熱導材料例如由聚酰亞胺石墨化得到的石墨膜已在電子設備中得到廣泛利用。但該類石墨膜存在兩個重要缺陷：柔性不佳及隨厚度增大而迅速下降的熱導率（比如熱導率從20微米薄膜的2000W/m K下降到100微米薄膜的700W/m K）。

由氧化石墨烯薄膜經過高溫還原、加壓致密化而得到的石墨烯薄膜則有效緩解了這些問題，石墨烯薄膜的柔性特征易于保留且其熱導率隨厚度并無明顯變化，已被積極用于芯片散熱。華為公司認為，石墨烯薄膜可以為5G時代的高散熱需求提供優(yōu)秀的解決方案。其中顯而易見的是，原材料生產商在推動其材料匹配下游產品制造商的需求上需付出大量努力，因為除了熱導率（也需滿足企業(yè)或者行業(yè)標準進行測試）這一顯然要求外，還有很多參數(shù)需經調控（盡管并非同時需要），如電導、厚度、熱膨脹、使用溫度等。

此外還有一些隱形需求，例如由于薄膜需要裁成特定形狀，因而額外增添了對層間脫落的限制，相當于對石墨烯原料的片徑、表面狀態(tài)等提出了要求。

電池電極產品案例

另一個例子是關于石墨烯用于電池電極。石墨烯自誕生之初，其在儲能方面的應用就被寄予厚望。的確，大量研究也已證明石墨烯的高表面積、高電導率和化學穩(wěn)定性，使其作為電池主體材料或輔助材料具備一定優(yōu)勢。例如，一些理論認為，石墨烯作為鋰離子電池負極可以提供兩倍于石墨的儲鋰容量。

然而，相比于鋰離子在石墨插層反應對應的穩(wěn)定電壓平臺，石墨烯上的鋰離子吸附及副反應十分復雜，且和石墨烯的結構缺陷與化學摻雜息息相關。事實上，低首次庫倫效率和穩(wěn)定性問題使石墨烯難以在現(xiàn)有鋰電池體系中作為主體材料，因而目前石墨烯在能源方面主要作為導電添加劑使用。本質而言，石墨烯薄片的二維特性及柔性特征有助于其通過包覆活性物質以改善電極的電導率，相比于一維的碳納米管和炭黑情況下的點接觸導電，可能具有明顯優(yōu)勢。但部分研究認為，二維石墨烯片層可能會阻礙鋰離子的輸運，因而在石墨烯與電極顆粒的尺寸之間需要建立某種匹配，或在石墨烯面內引入孔隙。

另一項要求是石墨烯在電池工業(yè)使用的特定溶劑中的分散性。當分散性問題和片徑調控得以解決，石墨烯基導電添加劑可能在鋰離子電池中的應用實現(xiàn)爆炸式增長；當前比亞迪公司每年采購至少數(shù)百噸含石墨烯薄片的漿料以提高磷酸鐵鋰正極性能。然而，該行業(yè)仍處于起步階段，許多電池公司仍在對導電添加劑的成分和應用方式進行試驗；為加速這一過程，石墨烯導電添加劑的片徑、厚度、化學組分和雜質的有關表征必須嚴格控制。另外其他參數(shù)如預混的石墨烯漿料粘度、穩(wěn)定性等，也需要由材料生產商進行管控。