今年两会期间,石墨烯产业的发展与应用成为代表委员们关注的焦点。恰逢今年是“十三五”开局之年,以石墨烯为代表的新材料被纳入“十三五”国家战略性新兴产业发展规划中,预计未来很长时间,石墨烯的产业化发展都将受到热烈讨论。
在电池领域,目前石墨烯主要用在锂离子电池、超级电容器、锂硫电池、燃料电池、太阳能电池等领域,相关研究机构也屡有消息称在石墨烯电池技术方面获得突破。然而,目前在市面上,我们仍然鲜见形成规模化应用的石墨烯电池产品。
据业内专家介绍,目前业界所说的石墨烯电池,并非整个电池都用石墨烯材料制作,而是在电池的电极使用石墨烯材料,所以称之为“石墨烯电池”并不恰当。在锂离子电池中,石墨烯发挥的作用主要有两方面:直接用于负极材料和用于导电添加剂。但是,目前已知的石墨烯材料有600多种,每种石墨烯又有其对应的应用领域,随着技术的不断突破,不同石墨烯材料可形成不同组合,将拥有更加广泛的用途。石墨烯在锂离子电池中的应用,或许也会取得突破性进展。
在超级电容领域,相较于传统电容,石墨烯超级电容具有如下特性:表面积大,有利于产生高能量密度;具有超高导电性,有利于保持高功率密度;化学结构丰富,有利于引入赝电容,提高能量密度;其特殊的电子结构可优化超级电容的结构与性能。
除此之外,石墨烯材料还可用于太阳能电池和燃料电池中。此前,曾有来自西班牙Universitat Jaumel和英国Oxford University组成的光伏和光电器件组(DFO)的研究团队,将二氧化钛和石墨烯结合在一起当作电荷收集器,使太阳能电池的有效转化率达到 15.6%。
据了解,目前造成石墨烯电池没能进入产业化应用的原因有多个方面,如石墨烯成本过高、相关技术研究有待提高等方面。
在成本方面,现在传统导电炭黑和石墨都是按吨销售(一吨几万元),而目前石墨烯成本最低也要十几万元,显然成本还是要高出很多。
在中科院院士刘忠范看来,“近年来,我国在石墨烯领域所发表的论文和申请的专利在数量上都已领先世界,但是真正原创性、突破性的成果非常少,研究水平绝非世界第一。”对于石墨烯相关产品没有进入产业化应用,刘忠范表示,目前既有的研发工作大多停留在动力电池、超级电容器、涂料等短平快的技术方面,这样的公司有成百上千家,多是小打小闹行为,很难形成气候。
“很多都是短平快的粗放型研究和概念的炒作,市场也非常无序,多数企业是为了炒作石墨烯而一拥而上的小作坊式的企业,没有雄厚的人力、物力和财力基础来支撑真正的石墨烯产业化研究。”刘忠范如是说。
作为一种新兴材料,目前石墨烯在电池行业的应用仍处于初期阶段,进入大规模产业化应用,仍需要在材料研发、产品设计、制备工艺等方面开展大量工作,其产业化之路仍将漫长。