石墨烯量产——突破锂电“致命缺陷”

    或许有一天，你会把触屏平板电脑三折两叠塞进口袋；用几秒钟将手机充满电，用上半个月不用再充；乘坐超轻型飞机，驾驶轻型汽车，甚至登上人类梦想的上万英里的太空电梯……
    所有这些美妙梦想，都来源于一种特殊材料——石墨烯。
“石墨烯是一种以石墨为原料的纳米材料，它是迄今为止世界上已知材料中最轻、最薄、最硬的韧性材料，具有高导电、高强度、高导热、高比表面积等特点。”
    4月2日，长期关注石墨烯发展的唐山建华实业集团总裁孟英表示，这种超凡的新材料必将在电动汽车、电子信息等多个领域带来革命性变革，有望成为下一个万亿级的产业。
    “我们率先研发出一种新的石墨烯制备方法，适用于低成本大批量规模生产。”自去年年底，建华实业在我省投产首条年产50万克石墨烯生产线之后，目前一条年产100吨的生产线正在紧张组装中，将于5月底正式投产。对于这一令人期待的石墨烯量产技术新突破，孟英感到，它将为新型工业化发展带来巨大空间。

5小时到30分钟的颠覆
破解锂电池充电瓶颈，掀起电动汽车领域革命

    充电仅需5小时便可行驶500公里，今年年初，特拉斯在国内的上市可谓是“冬天里的一把火”，掀起电动汽车领域的一场革命。
    虽然电池技术向前迈出一大步，但仍存在跑上一会儿需要停下来充5小时电的尴尬，充电时间长依然是锂电池难以逾越的鸿沟。被视为汽车未来发展方向的电动汽车，因为无法解决这道瓶颈难题，多年来一直在推广道路上举步不前。
    “这扇大门，将由石墨烯开启。”和很多业内专家一样，孟英非常看好石墨烯在能源领域的应用，公司的科研团队正在进行石墨烯基超级电容和电池的研发。石墨烯电池一旦问世，有望将电池容量增加1.5倍，充电时间缩短至几十分钟。使用石墨烯基超级电容替代电池，充放电时间最短甚至可以达到几秒钟。
    “这也就意味着，以后给电动汽车充电比加油时间还短，这将为电动汽车领域带来一场颠覆性革命。”孟英表示，目前他们正在布局石墨烯基电容电池生产线，预计将于今年12月底正式投产。
    在唐山建华实业集团生产基地，记者领略了石墨烯的“神奇”——虽然与石墨同出一源，却与我们平时所见的铅笔芯相差甚远，石墨烯微片更像是棉花一样的黑色絮状物，它薄如蝉翼、轻若鸿毛，仅仅180克就能盛满一个容量50升的白色塑料桶。
    孟英解释说，石墨烯电池之所以充放电速度快、储能大，就是利用了石墨烯材料的高比表面积、高导电特性，石墨烯材料的导电性能是铜的10至100倍。传统锂电池如果快速充放电，必然导致电流增大，而电流过大会引起电池发热而缩短使用寿命，甚至引发爆炸。利用石墨烯的特性将其添加到锂电池的正负极材料中，有望解决这一弊端。
    孟英解释说，锂电池的工作过程，就是锂离子从正极到负极往返摆动的过程。把石墨烯添加到正极材料中，可以提高正极材料的导电能力，增加电池的放电倍率，加快电池的充放电速度。把石墨烯添加到负极材料中，则可以提高容纳锂离子的能力，增加储电容量。
    “石墨烯的轰动，是因为它创造了诸多纪录，石墨烯一系列神秘的特殊性让人们对它的应用充满幻想。”孟英这样描述，石墨烯还是世上最薄、强度最高的材料，它只有0.34纳米厚，二十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径。它比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢材还要高上100倍。该材料几乎完全透光，透光率在97%以上，有望被用于制造新一代高性能电子学器件。
    目前，该公司近四十人的团队正在致力于石墨烯下游产业链的开发及应用，同时开发的产品有十几种。据介绍，石墨烯在电子、航天、军工、新能源、新材料等领域有着无比广阔的应用潜力：凭借石墨烯优良的电学性能，它将是最具潜力取代硅制作超微型晶体管的新型材料，未来计算机的运行速度有望提高10至100倍；其轻盈坚韧的特性，又是制作超轻防弹衣、超轻飞机材料的首选；利用纳米技术还可以把石墨烯制成一种DNA感测器，用来探测DNA链的旋转和位置结构，为基因组测序技术开辟一条新路径；石墨烯还可以制成抗菌材料，在杀菌的同时不损伤细胞。

1克到500吨的突破
石墨片剥离出石墨烯微片，打败产业化拦路虎

    今年3月初首次到广东与一家电池企业洽谈合作，孟英仅凭一桶180克的石墨烯微片样品，不费吹灰之力就敲开了合作的大门。看到这桶样品，广东方面负责人当时就“惊呆了”，没等孟英开口介绍就主动要求开展合作。
    “与实验室以1克为计量单位相比，这一桶样品无疑是天文数字，具备大规模生产能力是促成双方合作的最重要因素。”孟英认为，“高质量、低成本宏量生产工艺是当前石墨烯实现产业化、进入应用领域的关键。”
    目前，建华实业集团石墨烯年产量达到50万克，年产100吨的石墨烯生产线也将于5月底投产，各种性能在同行产品中名列前茅。同时，该公司二期年产500吨的生产线已完成了生产工艺设计工作，正在筹划年底前在曹妃甸开工建设。
    那么，石墨怎么才能变成石墨烯?“由于石墨片层与层之间作用力较弱，我们常见的石墨烯大部分都是由石墨片剥离而成。”孟英介绍说，用胶带黏出石墨烯的办法显然不适合工业化生产。目前业界主要有化学气相沉积法、氧化还原法、热解碳化硅法等石墨烯批量制备技术，但全球只有少数几家企业可以进行工业化生产。
    从2009年开始知道石墨烯至今，孟英一直在试图找出已有制备技术不能量产的原因。经过几年研究，他的团队在氧化还原法的基础上独辟蹊径，对已有制备技术进行了变革，设计了具有自主知识产权的生产工艺和装备，使大规模生产成为现实。
    他拿来一摞A4纸边打比方边介绍说：“石墨块就像这摞纸一样具有层状结构，经过以前的处理方法，能将纸与纸之间的距离拉大，但每张纸还会与上下层的纸紧挨在一起，难以从一摞纸中剥离开。这样有的几张挨在一起，有的十几张挨在一起，形成5层以下微片的几率很小。”
    找到了根源，问题便迎刃而解。“关键就是让每一张纸从纸摞中均匀分散开。”孟英打比方说，如果原来是用小刀切的方式，那么新的工艺更像是在每一张纸之间安放了“炸药”，所有“炸药”会在同一时间共同发挥作用，这样一摞纸就会均匀炸成一张张分散的纸片。
    “炸开后的纸片如果挨得太近，还会重新团聚在一起，这样就会前功尽弃。”孟英介绍说，这个难题可以通过化学和物理方法解决，让每一张小纸片失去团聚性能，成为一个个独立的个体，即使挨得再近也无法重新团聚起来。
    对此，孟英感触良深：“听起来道理似乎很简单，为了实现产量从1克到500吨的突破，五年时间里我们光制备工艺就更新了八代。想要达到更好的分层效果，每一步工艺路线涉及的材料选定和设备定型都会像神农尝百草一样试验成百上千次。”

800元到25元的缩减
从黄金价降到白菜价，依然保有黄金品质

    “我们要做的就是努力使石墨烯从黄金价降到白菜价，但依然保有黄金的品质。”孟英表示，只有将生产成本降低，才能使石墨烯更广泛地应用到各个领域中，否则石墨烯将无法实现产业化应用。“比如石墨烯电池效果确实很好，但如果价格是锂电池的几十倍，即便性能再优异又有谁会去选择购买?”
    “5月底年产100吨生产线建成以后，我们生产的石墨烯微片成本将降到1克25元钱，远远低
    于每克800元的市场价。”孟英认为，成本的大幅降低，将会使石墨烯具备参与市场竞争的成本优势。
    石墨烯的成本怎样才能降低?“降低成本主要通过技术改进来实现。”孟英介绍说，想要达到上百吨的年产量，只要一条生产线就能实现，而按照原来的技术光设备就要几万台，仅这一项就要投入几十亿资金，设备折旧、人员工资等费用则更不用说。此外，用几百块钱的原料替代上万块钱的，原料筛选也为降低成本发挥着重要作用，
    他以特斯拉电动汽车使用的18650电池为例介绍说，以每克石墨烯25元计算，每块电池需要1.2克左右石墨烯，费用为30元钱，这和普通锂电池价格相差不是太大。但石墨烯电池的寿命为1万次，是传统电池的10倍，10块传统电池才能抵1块石墨烯电池的使用寿命，照此计算石墨烯电池的价格反而更低。   
    “25元钱还远未达到成本极限，随着研发深度的增加以及制备工艺的改进，成本将越来越低，我们的目标是1克几元钱甚至更低。”孟英对此有着清醒的认识，石墨烯价格越低需求量就越大，需求量的加大还会促进产业规模的扩大，这是一个良性循环。
    “降低成本的同时，还要保证石墨烯的品质，这样石墨烯材料才会更有价值。”孟英解释说，比表面积大小是评价石墨烯产品质量好坏的重要标准，石墨烯比表面积越大，单层率越高，品质越好。
    石墨烯品质的不稳定，还会影响到下游产业链产品的性能稳定。孟英举例说，“比如不同批次石墨烯比表面积相差较大，如果制作成石墨烯电池，那么有的容量是普通锂电池的1.1倍，有的是1.3倍，还有的甚至更多，在应用时就会影响电动汽车性能。”
    “通过我们的技术生产的石墨烯初级产品，比表面积稳定在每克550平方米左右，中试结果最高时可达到1000平方米左右。”据孟英介绍，通过控制原料品质和生产工艺，该公司生产的石墨烯层数稳定保持在5层以下。
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