全球能源供应或将现颠覆性变化 中国抢占话语权

有科学家预言,如果说20世纪是硅的世纪,那么石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元,将“改变21世纪”。

全球能源供应或将现颠覆性变化 中国抢占话语权

人类历史上每一次能源体系的进化都极大影响着世界。 有科学家预言,如果说20世纪是硅的世纪,那么石墨烯(Graphene)则开创了21世纪的新材料纪元,将“改变21世纪”。作为最前沿的新材料,一旦石墨烯技术进一步完善,实现商业化,全球能源供应将会出现颠覆性变化。

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石墨烯为何被誉为 “新材料之王” 石墨烯这个于普通老百姓而言当下还比较陌生的名词,或许过不了多久,就会如人工智能、基因科学等一般,成为人们日常耳熟能详的热词。

石墨烯是目前世界上已知最薄、也最硬的材料,厚度只有0.335纳米,若是将20万片石墨烯薄膜叠加也只有一根头发丝那么厚,它也是世界上目前发现电阻率最小、导电性最佳的物质,透光性、导热性、韧性极好,具有高传导性、高比表面积(达到2630 m^2/g,3克石墨烯的比表面积相当于一个足球场),在新能源领域如超级电容器、锂离子电池研制等方面潜力巨大,被誉为“黑金”“新材料之王”。

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基于这些优良的特性,石墨烯可被广泛应用于储能系统、电子科技、网络通讯、洁净能源、生物医学、航天军事、复合材料以及智慧家居等诸多领域。例如,若在石墨烯充当电池方面取得突破,业内人士称石墨烯手机充电时间将只需短短数秒,且可连续使用半个月;充电10分钟,环保节能汽车就有可能行驶上千公里。

天然石墨由一层层按蜂窝状排列的平面碳原子堆栈而成,层间作用力较弱,极易互相剥离,形成薄石墨片。而当把石墨片一层层剥离到只有一个碳原子厚度的单层后,也就是石墨烯。

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长期以来石墨烯一直被认为是一种假设性结构,无法单独稳定存在。直到2004年英国曼彻斯特大学的物理学家海姆(Sir Andre Konstantin Geim)和诺沃肖洛夫(Sir Konstantin Sergeevich "Kostya" Novoselov)在实验中用“微机械剥离法”分离制备出石墨烯,才证实了它可以单独存在。这两位科学家也因此获颁2010年诺贝尔物理学奖。

此后,经过多年发展出现了更多的制备石墨烯的方法,亦预告着这种新材料距离工业化生产、商业领域已越来越近。

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全球竞逐石墨烯研发 目前全球已有超过200个机构和上千名研究人员正从事着石墨烯研发。中西方在这个领域的竞争亦正日渐胶着。

美国国防部高等研究计划署(DARPA)于2008年发布碳电子无线电波应用项目,总投资2,200万美元,用于开发超高速和低耗能的石墨烯晶体管。2015年加州理工学院开发出一种在室温下(常规温度需1000℃)快速制备石墨烯的全新技术,将原来需要9到10个步骤、10小时的制备过程缩短至5分钟。

欧盟则是于2013年启动了石墨烯旗舰计划,该计划长达10年,预计投资10亿欧元(1欧元约合1.14 美元);诺亚基从欧盟未来与新兴组织(FET)处取得13.5亿美元的研究经费,用于研发石墨烯材料;

而英国在未来计划投资6,100万英镑(1英镑约合1.33 美元)建设国家及研究机构──国家石墨烯研究院(NGU),并在石墨烯诞生地曼彻斯特大学成立国家级研究院和工程创新中心。

日本学术振兴机构(JST)早在2007年就开始对石墨烯硅材料项目支持并赞助,着力开发“石墨烯硅”材料技术,在此基础上研制出先进的辅助开关器件和等离子共振赫兹器件;

韩国政府则将40余家科研机构和6家企业整合成为石墨烯联盟,在手机触控屏幕、智能显示器、喇叭、晶体管等方面的研发成果丰硕。

中国在石墨烯这个领域并不甘于当看客,目前看来研发优势已较明显。公开数据显示,至2016年3月,中国石墨烯的专利总数已占全球56%,排名第一,韩国、美国、日本居其后。

中国抢占石墨烯话语权 全球第一条和第二条真正实现规模化、低成本、高品质的石墨烯生产线诞生在中国。2013年底,宁波墨西科技有限公司和重庆墨希科技有限公司先后建成年产300吨石墨烯生产线和年产100万平米生产能力的石墨烯薄膜生产线,并将石墨烯的制造成本由每克5,000元人民币(1 元人民币约合0.15 美元)降至每克3元人民币。

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前不久,《人民日报》报道了浙江大学高分子科学与工程学系高超团队,研制出一种新型石墨烯-铝电池。其正极是石墨烯薄膜,负极是金属铝。经测试,它在25万次充放电循环后仍能保持91%的容量;同时其倍率性能优异,快速充电可1.1秒内充满电。 据称这种电池可在零下40摄氏度到120摄氏度的环境中工作,在零下30摄氏度的环境中能实现1,000次充放电性能不减,而在100摄氏度的环境中能实现4.5万次稳定循环。并且该新型电池呈柔性,将其弯折一万次后容量仍能完全保持,而且即使电芯暴露于火焰中也不会起火或爆炸。

业内人士称,如果智能手机用上这种电池,即便每天充电10次也能用上近70年。

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除了浙江大学高超团队的这项突破,华为在石墨烯方面的技术能力,也是全球瞩目。当全球手机巨头三星和苹果都在为电池爆炸而焦头烂额时,2018年有新闻称中国科技巨头企业华为中央研究院在日本向全世界宣布:锂电子电池技术实现重大突破,全球首个超级石墨烯基电池登场。 虽然后来有声音指出那不过是石墨烯贴在电池上,利用其散热而已,并不是快速充电的石墨烯电芯,还不值得太过欣喜,但即便只是利用石墨烯进行高效散热,手机电池寿命已延长两倍,耐热程度提高10度。

基于石墨烯的应用领域广泛,事关国家战略,中西方在这方面的竞争将日趋白热化,当2018年11月中国官方宣布,新型直-10武装直升机将配备轻型石墨烯装甲时,当时已有西媒评论称这将使中国成为首个将石墨烯装甲用于军事领域的国家。同时,亦有报道称西方已经出现了石墨烯防弹装甲的设计方案。

石墨烯研发应用之战尚在全球各处或明或暗地进行着,哪一国都不会甘于落后,但从人类科技进步角度而言,这种竞争也正助推着人类科技进步,提高、改善着人类的生产生活水平。

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