?? 石墨烯作為一種“學霸型”納米新材料各項性能突出,應用領域廣泛,目前主要被應用在能源、復合材料以及過濾凈化等領域。而由于石墨烯研發(fā)成本高、尚未完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,因此市場應用未得到全面推廣,未來隨著技術和商用的成熟,石墨烯在儲能和復合材料領域的應用將得到大幅擴大。
石墨烯性能優(yōu)勢突出,應用領域廣泛
石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的單層納米新材料,是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導電導熱性最好的一種新型材料,在電學性能、熱學性能、吸光率、穿透性、機械性能等物理、化學性質(zhì)上全方位表現(xiàn)突出,因此被稱為“學霸型”新材料、“黑金”、“材料之王”,從被制備到投入應用以來一直廣受關注。
目前全球石墨烯由于研發(fā)成本高,仍未完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。從全球石墨烯商業(yè)化產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀來看,一方面,中國在石墨烯研發(fā)和產(chǎn)品市場應用方面已經(jīng)走在了世界前列;另一方面,在應用領域上,目前市場上石墨烯應用最大的領域是復合材料和能源,其次在過濾凈化等其他領域也有少量應用。未來石墨烯還將在儲能材料(鋰電池、超級電容器)、半導體、顯示器件、熱管理、材料學、環(huán)保、生物醫(yī)學、航空航天等多個領域實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,應用領域廣泛,市場前景大好。
石墨烯在復合材料和能源領域的應用前景廣闊,二者將占據(jù)一半以上市場份額
更具體的,在復合材料領域,石墨烯成本的降低加快了產(chǎn)業(yè)化的進程。目前,石墨烯主要應用在導電油墨、導熱膜片、防腐涂料、增強材料(塑料、合金)等領域。其中,石墨烯在導電油墨和增強材料領域的應用已經(jīng)非常成熟,并已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;而在導熱膜片和防腐涂料領域的應用也較為成熟,處在產(chǎn)業(yè)化早期階段。
值得一提的是,一方面,在技術上,石墨烯是以微粒的形式與其他材料復合,石墨烯表面平滑,填料-基質(zhì)界面相互作用力不強,分散不均勻;另一方面,在市場上,國內(nèi)石墨烯產(chǎn)能嚴重過剩,石墨烯下游應用需求乏力,定位不明確,因此市場上很難看到真正合格的石墨烯產(chǎn)品。而這兩大因素直接制約了石墨烯在復合材料領域的應用。
而在能源領域,石墨烯主要用于電極材料、半導體芯片和傳感器等產(chǎn)品的生產(chǎn)。其中,石墨烯對提高鋰電池性能作用顯著,石墨烯-鋰電池的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:其一,和現(xiàn)有各類電池比,石墨烯-鋰電池的單位重量下的電池能量密度可以達到傳統(tǒng)電池的3倍,輸出能量更高;其二,在傳統(tǒng)鋰電池的應用上,若將負極石墨用石墨烯替換,充電速度可以提高10倍;其三,石墨烯作為最好的導熱材料,能夠更好的散熱、提高電池穩(wěn)定性,防止電池失效短路。
但是,盡管單位重量上石墨烯輸出能量更高,但其單價卻遠高于成品石墨粉,因此制約了石墨烯在鋰電池工業(yè)生產(chǎn)中的應用,短期內(nèi)難以實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用。但從未來趨勢來看,一方面,石墨烯作為導電劑添加到電極材料中,效果高于天然石墨和乙炔黑,能提高循環(huán)性能;另一方面,石墨烯的特殊納米結構使其具有高比表面積,同時具有良好穩(wěn)定性,可用于開發(fā)石墨烯基復合電極材料,如石墨烯/硅基、石墨烯/錫基、石墨烯/金屬氧化物等。因此,盡管目前石墨烯在鋰電池領域的應用尚未得到推廣,但是未來有極好的想象空間。
綜上,盡管目前石墨烯的應用80%左右仍停留在科研領域,但是未來隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)化的不斷推進,其領域領域將得到推廣,其中復合材料和能源(儲能)將是其應用的最大市場。根據(jù)IDTechEx的預測,到2026年,全球將分別有24%和38%左右的石墨烯被應用在復合材料和儲能器件,此外,石墨烯在涂料、墨、傳感器、電路以及透明導電薄膜等領域也將被得到較好的應用。
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