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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(zhì)，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(chǎn)業(yè)化攻堅階段，在技術、工藝和產(chǎn)業(yè)鏈對接方面需要投入大量資源。產(chǎn)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(chǎn)業(yè)鏈整合。美國、英國、中國、日本和韓國等國家的產(chǎn)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(zhì)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(zhì)優(yōu)異。石墨烯的發(fā)現(xiàn)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(zhì)，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(shù)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(chǎn)業(yè)化尚待時日。而多晶薄膜有望在5-10年內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)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?qū)⒅饕性陔娮印⑿履茉�、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(zhì)，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(chǎn)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(xiàn)商業(yè)化應用。
目前已經(jīng)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(xiàn)結構和性質(zhì)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(xiàn)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(zhì)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(jīng)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?qū)嶒炇覍⑹╇姌O應用至上述多類型產(chǎn)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(xiàn)，通過建立三維堆疊多層異質(zhì)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(chǎn)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(diào)整石墨烯的功函數(shù)，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(zhì)，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(zhì)，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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(jīng)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(zhì)相比，石墨烯電介質(zhì)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(wǎng)絡、柔性顯示器，以及其多種生物體內(nèi)電子設備的儲能器件。
