石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)研報告

1、石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)研報告12020 年 4 月 19 日文檔僅供參考Acer宏碁 AS4750G-2454G75Mnkk石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)研報告石墨烯是一種由碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維晶體, 是包括富勒烯、碳納米管、石墨在內(nèi)的碳的同素異形體的基本組成單元, 就是石墨的單層薄片。它是人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。美國麻省理工學(xué)院(MIT) 的曾將石墨烯列為 10大新興技術(shù)之一。在12月 18 日出版的 雜志中 , ”石墨烯研究取得新進展”被列為10 大科技進展之一。 10 月 5 日 , 英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫因在石墨烯(graphen

2、e) 研究方面的杰出成就而榮獲 諾貝爾物理學(xué)獎。1.1 石墨烯結(jié)構(gòu)及性質(zhì)石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。作為單質(zhì) , 它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。石墨烯在原子尺度上結(jié)構(gòu)非常 特 殊,必 須 用 相 對 論 量 子 物 理 學(xué)(relativisticquantumphysics)才能描繪。石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定, 迄今為止, 研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌 , 當(dāng)施加外部機械力時, 碳原子面就彎曲變形, 從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力, 也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中22020

3、 年 4 月 19 日文檔僅供參考移動時 , 不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強 , 在常溫下 , 即使周圍碳原子發(fā)生擠撞, 石墨烯中電子受到的干擾也非常小。石墨烯是當(dāng)前已知的最薄的一種材料, 單層的石墨烯只有一個碳原子的厚度, 這種厚度的石墨烯擁有了許多石墨所不具備的特性。(1) 導(dǎo)電性極強 : 石墨烯中的電子沒有質(zhì)量 , 電子的運動速度超過了在其它金屬單體或是半導(dǎo)體中的運動速度, 能夠達到光速的1/300, 正因如此 , 石墨烯擁有超強的導(dǎo)電性。(2) 超高強度 : 石墨是礦物質(zhì)中最軟的 , 其莫氏硬度只有 1-2級 , 但被分離成一個碳原子厚度的石墨烯后 ,

4、性能則發(fā)生突變 , 其硬度將比莫氏硬度 10 級的金剛石還高 , 卻又擁有很好的韌性 , 且能夠彎曲。(3) 超大比表面積 : 由于石墨烯的厚度只有一個碳原子厚, 即0.335納米 , 因此石墨烯擁有超大的比表面積, 理想的單層石墨烯的比表面積能夠達到2630 m 2/g, 而普通的活性炭的比表面積為1500 m2/g, 超大的比表面積使得石墨烯成為潛力巨大的儲能材料。1.2 石墨烯的應(yīng)用及市場潛力(1) 代替硅生產(chǎn)電子產(chǎn)品硅讓我們邁入了數(shù)字化時代, 但研究人員依然渴望找到一些新32020 年 4 月 19 日文檔僅供參考材料 , 讓集成電路更小、更快、更便宜。在眾多的備選材料中 , 石墨烯最

5、引人矚目。石墨烯擁有比硅更高的載流子遷移率 ( 即載流子在電場作用下運動速度快慢的量度 ), 是一種性能非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料 , 電子在石墨烯中的運行速度能夠達到光速的 1/300, 要比在其它介質(zhì)中的運行速度高很多 , 而且只會產(chǎn)生很少的熱量。使用石墨烯作為基質(zhì)生產(chǎn)出的處理器能夠達到 1THz( 即 1000GHz)。全球半導(dǎo)體晶硅的市場發(fā)展穩(wěn)定 , 根據(jù) IEK 的預(yù)測 , 石墨烯可替代晶硅應(yīng)用在芯片領(lǐng)域 , 石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成電路 , 市場容量至少在 5000 億元以上。(2) 石墨烯鋰離子電池開啟儲能技術(shù)新紀(jì)元鉛酸電池具有技術(shù)成熟、價格較低等優(yōu)點, 可是存在嚴(yán)重鉛

6、污染 , 將被更先進的產(chǎn)品替代。鎳氫電池具有可大電流快速充放電、耐過充過放、低溫性能好等優(yōu)點 , 但能量密度較低使其不能用于純電動車。鋰離子電池能量密度大 , 循環(huán)壽命長 , 是當(dāng)前在消費電子領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電池 , 可是其功率密度還不夠大 , 電池滿充時間需要幾個小時 , 在純電動車領(lǐng)域的應(yīng)用碰到了充電難題。超級電容器功率密度高而能量密度低 , 無法滿足續(xù)航要求 , 不能單獨用于電動車或其它儲能設(shè)備。石墨烯鋰離子電池解決了”魚和熊掌不可兼得”的難題 , 同時滿足了能量密度和功率密度要求 , 開啟了儲能技術(shù)新紀(jì)元。石墨烯鋰離子電池能夠被應(yīng)用到消費電子、電動工具、電動自行車、電動汽車和儲能等領(lǐng)域

7、。特別是在電動汽車和儲能領(lǐng)域,42020 年 4 月 19 日文檔僅供參考石墨烯鋰離子電池具有非常強的競爭力。石墨烯鋰離子電池可在幾分鐘內(nèi)滿充 , 將加快電動汽車產(chǎn)業(yè)化進程。當(dāng)前的電動汽車, 因為充電時間長達幾個小時 , 在市場推廣過程中遇到了充電站配套建設(shè)成本高和普通消費者對其接受度較低的問題。石墨烯鋰離石墨烯能夠大幅提升鋰離子電池性能, 未來將在負(fù)極材料領(lǐng)域有廣闊的市場前景。根據(jù) IEK 的預(yù)測 , 石墨烯作為負(fù)極材料應(yīng)用在十分之一的鋰離子電池中 , 其需求量在2500 噸以上。更重要的是一分鐘充電技術(shù) , 鋰離子可再石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性 , 開發(fā)出一種新型儲能設(shè)備石

8、墨烯電池。它的功率密度比鋰電池高 100 倍 , 能量儲存密度比傳統(tǒng)超級電容高30 倍。 - 全球的負(fù)極材料的需求量將保持年均20%的增長率 , 到全球的負(fù)極材料需求量將達到 3.7萬噸以上。未來有1%的鋰離子電池由使用石墨烯負(fù)極材料的需求, 那每年對于石墨烯的需求就在250噸以上。(3) 石墨烯促進超級電容器發(fā)展超級電容器超級電容器又稱超大容量電容器、金電容、黃金電容、儲能電容、法拉電容、電化學(xué)電容器或雙電層電容器( 英文名稱為EDLC,即 Electric Double Layer Capacitors),是靠極化電解液來存儲電能的新型電化學(xué)裝置。它是近十幾年隨著材料科學(xué)的突破而出現(xiàn)的新型

9、功率型儲能元件, 其批量生產(chǎn)不過幾年時間。超級電容器自面市以來, 全球需求量快速擴大, 已成為化學(xué)電52020 年 4 月 19日文檔僅供參考源領(lǐng)域內(nèi)新的產(chǎn)業(yè)亮點。超級電容器在電動汽車、混合燃料汽車、特殊載重汽車、電力、鐵路、通信、國防、消費性電子產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值和市場潛力, 被世界各國所廣泛關(guān)注。美國 雜志 1月號 , 將超級電容器列為世界七大科技發(fā)現(xiàn)之一 , 認(rèn)為超級電容器是能量儲存領(lǐng)域的一項革命性發(fā)展, 并將在某些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)蓄電池。碳質(zhì)材料是當(dāng)前研究和應(yīng)用很廣泛的超級電容器電極材料。用于超級電容器的碳質(zhì)材料當(dāng)前主要集中在活性炭(AC) 、活性碳纖維 (ACF) 、炭氣凝

10、膠、她納米管和模板炭等。而自從石墨烯被成功制備以來 , 人們開始探索這種碳質(zhì)材料在超級電容器中的應(yīng)用。由于石墨烯具有極高的理論比表面積, 結(jié)構(gòu)上屬于獨立存在的單層石墨晶體材料, 故石墨烯片層的兩邊均能夠負(fù)極電荷形成雙電層。且石墨烯片層所特有的褶皺以及疊加效果, 能夠形成的納米孔道和納米空穴 , 有利于電解液的擴散 , 因此石墨烯基的超級電容器具有良好的功率特性。當(dāng)前中國市場的超級電容器年需求量可達 2150 萬只 , 約 1.2 億瓦時 , 且每年都在以約 50%的速度增長 , 全球超級電容的市場規(guī)模將達到 50 億元以上 , 并保持著 20%的增長速率。62020 年 4 月 19 日文檔僅供參考005- -全球超級電容器市場規(guī)模(4) 替代 TTO有極大的前景當(dāng)前的顯示器和觸摸屏等器件中的導(dǎo)體材料, 主要是使用的氧化銦錫 ITO材料。但氧化銦錫的價格高、用量大、易碎、有毒性( 與鉛的毒性可比), 而石墨烯由于由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)而有非常高的導(dǎo)電性 , 而且石墨烯幾乎完全透明; 這兩種性質(zhì)使得石墨烯本身就是一種性能非常好的透明導(dǎo)體材料, 適合用于制作顯示器件。石墨烯的另一個特性是具有高韌性, 能夠拉伸 20%而不斷裂。使用石墨烯作為導(dǎo)體材料, 能夠制成能夠折疊、伸縮的顯示器件。而且石墨