您当前的位置:首页 > 路浩资讯 > 路浩论坛
石墨烯——下一个材料领域的颠覆者

 杜艺莹 路浩知识产权联盟

新材料新政力挺石墨烯

   2015年10月,国家主席习近平对英国进行了为期5日的国事访问。在访英的最后一日,习近平参观了代表全世界石墨烯最领先研究水平的曼彻斯特大学国家石墨烯研究所,石墨烯研究一时间成为世界各界关注的焦点。

   2015中国国际石墨烯创新大会透露,新材料将纳入“十三五”国家战略性新兴产业发展规划,而石墨烯正是新材料领域的重点发展对象。科学家认为石墨烯有望引发新一轮电子工业革命,华为总裁任正非更是直言,“这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代。”

   神奇的石墨烯

   “石墨烯对很多人来说就像爱丽丝仙境一样,非常神奇”。石墨烯的发现者之一安德烈•海姆如此描述。那么,石墨烯究竟神奇在哪里?

   石墨烯也称为“单层石墨”,是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料,其碳原子排列与石墨的单原子层雷同,是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。石墨烯是迄今为止自然界最薄、强度最高的材料,具备极高的透光性和极大的比表面积,是目前已知室温下最好的导电和导热材料。石墨烯优异的性能使其在多个领域具备“颠覆”潜力,广泛地应用于电池电极材料、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏等方面。

   石墨烯风靡全球

   石墨烯自诞生之日起就受到全球各界追捧,世界主要国家都高度重视开展石墨烯研究,期待它带来巨大的价值。随着石墨烯风生水起的发展,相关专利申请量也迅猛增加。经过检索分析发现,全球石墨烯研究在近几年迅猛发展。

   中国在石墨烯领域的专利申请趋势与全球申请趋势类似,且申请量占有较大比重,可以看出中国在全球石墨烯技术研究中的重要地位。2005年以前,石墨烯相关技术研究热度较低,专利申请量很少,2006年以后,尤其是2009年以后,专利申请量呈迅猛增长趋势。这主要归结于2004年英国曼彻斯特大学安德烈•K•海姆教授和科斯佳•诺沃谢洛夫研究员首次制备出石墨烯,从此以后石墨烯因其奇特的性能引起了全世界科学家的广泛关注和极大兴趣,并随之提出了大量专利申请。

   中国

   中国在石墨烯研究领域申请的专利项占全球总数的50%以上,在该领域专利量具有绝对优势。目前,中国已经形成了政府、科研机构、研发和应用企业协同创新的官产学研合作对接机制,对中国石墨烯的技术研究起了强大的推动作用。

   在石墨烯的应用上,中国也已经获得了重大的研究成果,研究方向主要集中在石墨烯电极等应用领域。中科院重庆绿色智能技术研究院成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,可以作为透明电极的材料,并就该技术获得了中国发明专利ZL201310269493.4,该项专利提供了一种石墨烯复合材料透明电极及其制备方法和应用,能结合导电高分子和石墨烯二者的优点,制成的石墨烯复合材料透明电极兼顾导电性、透光率及柔性的性能,该透明电极可以在制作触摸屏、太阳能电池、有机发光二极管、液晶显示屏、薄膜晶体管、柔性电子产品或可穿戴式电子产品中应用。

   中国宝安子公司贝特瑞是国内最大的锂电池负极材料生产商,一直致力于石墨烯在动力电池材料方面的应用研究,在石墨烯应用到锂电池电极的制备中获得多项专利证书,例如其提交的CN201410057250.9号专利申请,公开了一种石墨烯基复合负极材料的制备方法及制得的负极材料和锂离子电池,用该方法制得的负极材料包括石墨和均匀分布于石墨相中的纳米石墨烯片层结构,两相紧密接触,具有结构稳定、高比容量、高电导率、高倍率性能、优异的吸液性能和循环性能。其研制的石墨烯产品目前已小量试产,若能大量应用到负极材料中,将极大提升其性能,对国内锂电池发展起到强大的推动作用。

   韩国

   韩国非常注重石墨烯领域的专利布局和保护,专利申请量居全球第二,约占全球的14%左右,远高于欧洲其他国家。近年来,韩国政府积极推动本国石墨烯技术研发及商业化应用研究,预计2012至2018年间将在石墨烯领域投入2.5亿美元。

   韩国企业三星电子在石墨烯领域处于领先地位,在石墨烯改革场效应晶体管方面贡献突出。三星拥有有关石墨烯晶体管的工作方式和结构等方面的多项核心专利,同时在世界多个国家进行了专利布局,例如,在我国提交了申请号为CN201310073946.6、CN201210425342.9和CN201310221610.X的专利申请,提出将石墨烯作为沟道来制作石墨烯晶体管,可以应用于各种电子装置,诸如用于高频的射频(RF)装置、显示器等,可进一步推动灵活显示设备、可穿戴设备以及其他下一代电子产品的发展。

   美国

   美国作为科技强国,在石墨烯领域的专利申请量位居世界第三位,约占全球的6%左右。对石墨烯的研究投入开始较早,投入力度也相对较大。

   美国良好的创业环境和巨大的资金投入,使得石墨烯产业化和应用进程相对较快,其中,在石墨烯脱盐技术方面贡献突出。洛克希德马丁公司尝试用石墨烯来淡化海水,其申请的名称为“METHODS FOR PERFORATING GRAPHENE USING AN ACTIVATED GAS STREAM AND PERFORATED GRAPHENE PRODUCED THEREFROM”的专利US20130249147A1 ,提供了具有孔的石墨烯片,由于为人工打孔,孔大小可以优化设计并且尺寸一致,允许特定纳米尺寸的组分通过,同时阻止其他组分。洛克希德马丁公司已就该技术在包括中国、韩国、日本、印度、加拿大、澳大利亚、欧洲专利局及世界知识产权组织在内的8个国家/地区申请了专利保护。相比脱盐工厂目前使用的“反渗透”的聚合膜脱盐技术,石墨烯脱盐技术成本低、产量大,这种石墨烯膜还可应用于污水处理和家用净水器,为社会带来了便捷。

   日本

   日本石墨烯相关专利申请约占全球的6%左右,申请量仅次于美国。日本从2007年起就开始重视石墨烯的开发。2007年日本科学技术振兴机构资助了石墨烯材料和器件的技术开发项目,主要开发“石墨烯/硅材料”工艺技术,并在此基础上开发先进的辅助开关器件和等离子共振赫兹器件。经济产业省2011年投入了9亿日元实施超轻、高轻度创新融合材料项目,重点研究碳纳米管和石墨烯的批量合成技术,研究期为2011年-2016年。

   日本是世界碳材料产业最发达的国家之一,在碳材料导电领域贡献突出。研究证明,利用碳物质获得的导电材料具有高挠性和高机械强度,能够显著地降低稀有金属或类似物质的使用量。此外,这些导电材料具有化学稳定性,因此,这些导电材料作为有前途的导电材料获得了重视。东芝(Toshiba)作为日本最大的半导体制造商,在碳材料导电领域具有显著的研究成果。其中,专利JP2015176725A提供了透明导体的制作方法,将银纳米线的高导电性和石墨烯的出色阻隔性能相结合,制作出来的透明导体具有较好的表面平坦度,实现了透明导体的高导电性和高耐久性。东芝就该技术在全球包括中国、美国和欧洲在内的3个国家/地区进行了专利布局,可见东芝公司将以上国家和地区列为未来的产品市场地。

   英国

   英国是石墨烯的“诞生地”,但是其相关专利申请量仅占全球的1%左右,相关研发和产业化落后于一些亚洲国家。近几年英国加大了对石墨烯领域的重视程度和投入力度,继英国在曼彻斯特大学建立国家石墨烯研究所后,2014年,英国政府联合马斯达尔公司继续投资6000万英镑在曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心,作为国家石墨烯研究院的补充,加速石墨烯的应用研究和开发。

   曼彻斯特大学作为全世界最领先石墨烯研究水平的代表,其专利申请的重点,一是瞄准可能是“最有用”的领域,例如可升级的制造技术,二是寻找极少数与石墨烯应用相关的专利,如石墨烯-聚合物复合材料和氟代石墨烯,其提交的WO2012120264专利申请,披露了通过将处于溶剂中的烷基铵阳离子电化学插入石墨中来生产石墨烯的方法,并就该技术在全球包括中国、日本、美国、韩国和欧洲在内的5个国家和地区进行了专利布局。另一件专利申请WO2011086391提供了石墨烯聚合物复合材料的制备方法,这种复合材料具有制造在诸如建筑物、船舶和飞机的结构上的大面积应变传感器的用途,进行全球包括中国、日本、韩国、美国、西班牙和欧洲在内的6个国家和地区的专利布局。由此可见,曼彻斯特大学更加注重石墨烯及其复合材料的制备,英国石墨烯的产业化还有很长的路要走。

   石墨烯电极成研究热门

   国际专利分类号(IPC)包含了专利的技术信息,通过对石墨烯相关专利进行IPC统计分析,可以看出,石墨烯专利技术主要集中于石墨烯的制备,分类号为C01B31,其次是石墨烯在电极制备上的应用,分类号为H01M4。由此可见,除了对石墨烯本身制备的研究外,其应用研究涉及最多的是用作电池电极材料。

   由于石墨烯具有良好的导电性能和倍率性能,将其应用于锂离子电池负极材料中,可以大幅度提高负极材料的电容量和大倍率充放电性能,是一种理想的电极材料。石墨烯还可以用于改性其他非碳基负极材料,目前研究的主要以锡基、硅基以及过渡金属类为主的锂离子电池非碳基负极材料,其缺点是在嵌锂/脱锂过程中体积膨胀收缩变化明显,石墨烯掺杂改性后的复合材料能改善这两种材料单独使用时的缺点。此外,石墨烯在锂电池正极材料改性及导电添加剂方面也有应用,石墨烯的高比表面积及其优异的电子传输能力,能有效改善正极材料的导电性能,提高锂离子的扩散传输能力。又因为一直以来,智能手机等终端发展迅速,但其续航能力始终是最大短板,石墨烯用作电池的电极可以大大缩短终端的充电时间,这推动了石墨烯在电极领域的应用研究。

   上述分析表明石墨烯具有很好的应用前景和极大的想象空间,如果科学研究与产业开发相结合,推动石墨烯的产业化应用和发展,未来几年内石墨烯将会实现令人惊奇的应用。


分享到微博

×
打开微信“扫一扫”,打开网页后点击屏幕右上角分享按钮