【解析】全球石墨烯产业发展现状

锂电池传统制造强国是日本和韩国，在石墨烯电池上他们也正在抢夺技术先机。但发明石墨烯的英国也有很大的突破，同时在欧洲德国的石墨烯产业的发展也不容小觑。同时我们也应该意识到我国在石墨烯商业化应用上全球还是处于领先地位。认清当前形势，才能更好的发展被寄予很多希望的石墨烯。

英国科学家发明石墨烯10年后，在电池上的应用获得巨大突破。12月初，西方媒体报道，西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发的石墨烯电池，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里。它被石墨烯研究者称做“超级电池”。

“我们现在还在了解情况，正在求证西班牙这种电池的具体情况，如果确认是这样的，那确实是革命性的变化出来了。”中国石墨烯产业技术战略联盟秘书长李义春12月24日对笔者称。

西班牙的“超级电池”很快将像特斯拉一样应用于汽车上，据西方媒体报道，它的拥有者12月在德国两大汽车巨头的汽车上进行试验，并在2015年第一季度生产上市使用。

石墨烯充电时间接近加油

目前，全球汽车制造商使用的动力电池主要使用锂电池，以特斯拉为代表的镍钴铝酸锂电池(钴酸锂电池)、以比亚迪为代表的磷酸铁锂电池和以日本汽车为代表的锰酸锂电池。

这三类电池以钴酸锂电池能量密度最高，但它在高温下也最不稳定;磷酸铁锂电池最稳定，但能量密度最低。

锂离子电池技术已经沉寂了20年没有大的技术革新。一位研究动力电池的专家称，其最大的障碍在于，锂离子电池功率密度有限，其大量能量无法快速接收或释放。

特斯拉升级版的Roadster3.0采用了改进过的锂电池，特斯拉没有确认是否加入了石墨烯。不过，它的性能有大幅度的提升，恐怕只有石墨烯能做到。新改进的18650型锂电池的容量大幅度加大，6831节电池组数量没有增加，但电池组的总容量从53kWh提高到了70kWh。

据接受采访的专家介绍，石墨烯的结构可以改变锂电池技术长期没有突破的障碍。石墨烯片材内部结构间隔扩大，以允许更多的电解质“润湿”及锂离子电池中的锂离子获得高速率通道的性能。

“石墨烯的特点是导电速度快，导电性能好，目前很多研究都在实验，具体哪一块很难说，不过缩短充电时间等是肯定的。”李义春说。按照美国伦斯勒理工学院研究人员的预计，石墨烯阳极材料比如今锂离子电池中惯用的石墨阳极充电或放电速度快10倍。

按照西班牙上述机构的数据，石墨烯也可能大幅度增加电池的容量。“超级电池”参数显示，其能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍;使用寿命是目前锂电池两倍;其成本将比目前锂电池降低77%。

锂电池传统制造强国是日本和韩国，在石墨烯电池上他们也正在抢夺技术先机，韩国科学家早在去年11月就宣布，最新发明的石墨烯超级手机电池，可存储与传统电池等量的电量，但充电时间只需16秒。

日本在电池技术上实行两条路线并行，除了发展普通意义上的锂电池，他们还研究燃料电池技术，用特制的石墨烯材料替代铂作为催化剂，来制造燃料电池车所需的氢燃料，获得突破。

据李义春介绍，目前石墨烯的研究总体上分两块：一是在传统锂电池上进行应用，目的是改进、提升锂电池的性能，这类电池不会产生颠覆性的影响;二是依据石墨烯制造一个新体系的电池，它是一个崭新系列的，在性能上是颠覆性的，称作“超级电池”。

中国2015年量产石墨烯锂电池

新能源汽车推广长达5年，但效果并不理想。据工信部的统计数据显示，2014年前11个月，我国新能源汽车累计生产5.67万辆，和2015年纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆的目标差距巨大。

市场化艰难的主要原因在于使用的便捷度上：一是续航里程较低，消费者普遍有里程焦虑;二是充电设施不完善，充电不方便影响使用。

在传统的解决方案中，车企采用了先推广混合动力车型缓解里程焦虑，消费者可以根据实际情况选择用油或者用电;另一个角度，国家鼓励大规模建设充电站和充电桩，缓解充电难。

石墨烯超级电池的出现，可能彻底改变现有的充电问题。续航里程成倍增长，长途出行的里程焦虑可能彻底打破。以西班牙的超级电池为例，1000公里的续航里程几乎接近北京到上海的直线距离，远超出传统汽车一箱油的行驶距离。

石墨烯充电速度提升，可以减少充电时间，宏观上可以大范围减少充电站和充电桩的需求。以目前全球领先地位的特斯拉ModelS85为例，其通过大功率的超级充电站充电，也要80分钟才能充满，车主等充电的时间仍然是一次煎熬。

“超级电池10分钟的充电时间，比加一次油时间长一点点，但续航里程比一箱油要长很多，消费者再也不会抱怨。”一位汽车业内人士分析称。

目前，油电混合动力车被认为是市场上最适合由燃油车过渡到电动车的最好产品，而且这个过渡阶段可能长达15-20年，但电池材料的进步可能推翻这种预判，甚至连纯电动车的普及也可能不需要那么长时间。

“超级电池”一旦大规模应用到电动车上，对整个行业将是颠覆性的。“一些百年车企可能没有这项技术而衰落，而一些只有十几、二十年的车企，因为掌握新材料技术，可能成为新的巨头。”

李义春介绍说，目前国内对石墨烯电池的研究进展顺利，一些高校研发团队和深圳的企业进行合作，研究已经进入了中试阶段，“预计2015年上半年就可能实现量产，性能会有很多提升。比如可以在不增加多少成本前提下，增加锂电池的充放电次数，提高电池安全性等。”

中国石墨烯产业技术战略联盟在2013年就已经向国家各部委上报了多个石墨烯研发示范基地，无锡、重庆、南京、青岛、常州等纷纷建立石墨烯产业示范基地。2014年12月，国家主席习近平亲赴江苏高新技术产业研究院，调研石墨烯研发及参观产品展示。

不过，据石墨烯电池研究人士透露，目前国内主要研究的是石墨烯运用到锂电池上，而非全新体系的“超级电池”，所以国内技术和超级电池有一定差距。国家相关部门对此很重视，2015年出台的“十三五”新材料规划可能将石墨烯纳入其中。

德国石墨烯行业发展状况概览

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈-海姆和康斯坦丁-诺沃肖洛夫最早发现并揭示了石墨烯的独特性质。此后，欧洲作为石墨烯的诞生地，开始提前布局这一领域。德国作为欧洲较早研究石墨烯的国家，在2009年即宣布投入巨资研究这种即将在未来改变人类生活的神奇材料。尽管取得的科研成果颇丰，但时至2015年，德国的石墨烯商业化进程仍颇为缓慢。虽然石墨烯未来可能在信息技术、能源、交通、医疗保健等领域发挥重要的作用，但距离真正走进人们的生活，相差的可能不仅仅是“一步之遥”。

背景资料：

德国石墨烯行业发展政策与规划德国科学基金会（DFG）在2009年7月宣布开展时间跨度为6年的石墨烯新兴前沿研究项目，该项目的目的是提高对石墨烯性能的理解和操控，以建立新型的石墨烯基的电子产品。2010年DFG启动了优先研究项目——石墨烯（SPP1459），包括38个研究项目，前3年预算经费为1060万欧元。

基金资助领域主要包括：适合石墨烯基电子设备的制备；石墨烯电子、结构、机械、振动等性能表征与操控；石墨烯纳米结构制备和表征及性能操控；石墨烯与衬底材料、栅极材料相互作用的理解和控制；输运研究（如声子和电子传输、量子传输、弹道输运、自旋运输）、新型装置示范（如场效应器件、等离子器件、单电子晶体管）以及石墨烯的理论研究（如石墨烯电子和原子结构、电子声子运输、自旋、石墨烯机械和振动性能、纳米结构、器件模拟）等。

最新成果：

石墨烯光电探测器：

2012年10月，慕尼黑工业大学的物理学家开发出一种方法，首次将测量到的石墨烯内光电流的时间分辨率提高到皮秒范围，这允许他们探测仅仅为几皮秒的脉冲。

光电探测器的核心在于通过金属接触融入电路的自由悬浮态的石墨烯。光电流的时间动态可通过名为“共平面带状线”的方法测量，该方法由特殊的时间分辨激光光谱程序，即泵浦探测技术所评估。激光脉冲会激发石墨烯中的电子，而这一过程的动态会被另一束激光所监控。有了这项技术，物理学家能精确监视石墨烯中的光电流究竟如何产生。

科学家还利用新方法进一步观察后发现，当石墨烯被光刺激时，可散发太赫兹（THz）范围的辐射，这位于红外光和电磁光谱中的微波辐射之间。关于太赫兹辐射的特殊之处在于，它显示了相邻频率范围的共享属性，其可以像粒子辐射般捆绑，也渗透了电磁波的特性。这使其成为了材料试验的理想备选，并可应用于特定的医疗领域。

纳米级碳纤维导线

未来的电子元件将微小到分子级别。这些微小的元件将取代目前硅晶的地位，成为计算机处理器的核心。马克思˙普朗克研究所正在研究的一种被称为石墨烯的纳米级碳纤维。位于柏林的弗里茨－哈勃－研究所，是马克思˙普朗克研究所旗下的机构。该机构展示了一种纳米导线，可以在分子级别的晶体管或其他元件之间传递电流。这种极细的导线由一条石墨烯窄带组成。研究人员用扫描隧道显微镜，在不同长度和电流的强度的条件下，测量其导电系数。“通过实验我们可以了解，电流在石墨烯纳米带上会产生什么效果”，研究人员解释说。

首先，研究人员要确定，他们的纳米导线是否是完美的导体，导线长度是否会影响其导电性能。为此，研究人员必须进行一种颇为棘手的实验：他们要在不同的电压下，观察石墨烯带在不同长度下的电流。因此研究人员要用一条石墨烯带，将扫描隧道显微镜的尖端与一块黄金的表面相连。

在电压较高的情况下，石墨烯带很容易烧毁“，马提亚斯˙科赫（MatthiasKoch）说，此次试验即是他博士论文的主题。”虽然我们在试验中掌握了一些窍门，但也要尝试多次，才能成功将二者相连。“

测量发现，电流经过石墨烯的方式与经过铜线不同。电子在石墨烯中以量子的隧道效应方式的通过。而经典物理学认为只有量子才能以此方式通过，这对于其它物质是一重无法跨越的屏障。

需要跨越的距离越远，到达另一端的电子就越少。”因此，纳米导线的导电性与其长度相关“，科赫说。以隧道效应通过的电子，远远少于同等条件下使用传统导体通过的电子。

石墨烯原子磁化状态：

来自瑞士、德国和美国研究人员组成的研究团队揭开了石墨烯原子与金属基底材料之间的联系，原来墨烯上原子的磁化状态，被石墨烯所生长的金属基底材料悄悄“操控”着。研究团队认为这一发现可以应用在未来的计算装置上。

在研究吸附于单层石墨烯上的钴原子时，研究人员注意到其产生了面内磁化；但是，当石墨烯生长于钌基底上，钴原子的磁化效应又摇身一变，成为面外磁化。经过多次实验，研究人员认为，通常来说，石墨烯上原子的磁化状态会受到所用初始金属基底材料类型的影响。这一发现意味着磁化过程可以“私人订制”，为基于原子自旋状态而制备的自旋电子器件材料带来了新可能。

更进一步，研究人员还发现碳原子与基底材料之间相互吸引力的强弱也取决于基底材料的金属种类。比如说，如果用钌做基底，可观察到强吸引力；但如果基底换成铱或铂，则表现出极其微弱的吸引力。研究人员解释说，这是因为所使用的金属材料不同，碳原子和金属原子之间的距离远近也不同；反过来，这也意味着碳原子和金属基底两者之间的电子转移同样会受到影响，最终不同类型的石墨烯片层得以产生。

商业化应用：

日前，西班牙Graphenano公司与西班牙研究机构研发出全球首例石墨烯聚合材料电池。德国两大知名汽车厂商将在近期进行这款电池的相关试验。如果试验顺利，这种石墨烯聚合材料电池可能得到大规模推广应用。

尽管德国于2009年就开始投入大量资金进行石墨烯方面的研究，但其产业化成果并不突出。这也说明对于石墨烯这种新兴材料，目前世界各国几乎处于同一起跑线上。谁在低成本、大规模量产上有所突破，谁就将获得产业发展的先机。