石墨烯產業化仍待攻克制備與應用的關鍵共性技術

石墨烯產業化仍待攻克制備與應用的關鍵共性技術

中科院寧波材料技術與工程研究所研究員、浙江省石墨烯制造業創新中心主任劉兆平做“石墨烯產業化制備及應用的挑戰”主題報告。他說，石墨烯規模化低成本制備仍面臨諸多挑戰，石墨烯應用還有很多關鍵共性技術問題亟待解決，只有上下游協同創新突破瓶頸，才能真正發揮石墨烯在產業變革中的關鍵作用。

 石墨烯是目前發現的最薄、強度最大、導電性最好的新型納米材料，被譽為“黑金”。石墨烯以其優異的應用特性，有望掀起一場席卷全球的新技術新產業革命。

　　石墨烯原材料主要有微片和薄膜兩種形態。據劉兆平介紹，插層剝離法制備石墨烯，無氧化過程，石墨烯結構未被破壞，能夠保持較高導電性，越來越成為工程化制備石墨烯的主流方法。

　　“插層剝離法主要面臨四大技術挑戰。”劉兆平說，一是少層單片剝離較難，插層剝離法制備十層以內的石墨烯微片需要很高的工藝技巧；二是如何保證石墨烯漿料具備良好的分散性，通常認為流動性良好代表分散性出色；三是如何確保石墨烯粉體的分散性；四是如何實現綠色環保和低成本生產。只有突破這四個難點，才能真正推動石墨烯產業化應用。

　　石墨烯粉體存在堆疊嚴重、產率低、極度蓬松、粉塵飛揚、極易吸潮等問題。劉兆平認為把石墨烯和高分子、其他納米材料等復合，尋找兩種材料之間匹配的尺度和特性形成復合粉體，可以有效解決石墨烯團聚堆疊和致密度的問題，并且便于分散復原。

　　據劉兆平介紹，其團隊采用插層剝離法已可批量制備平均厚度7層（2.4nm）的石墨烯，未來，插層剝離制備技術有望進一步突破，石墨烯厚度可從平均7層降低至平均3層（1nm）。“但降低厚度之后石墨烯分散問題怎么解決，其應用效果是否會有顯著提升，仍待研究。”劉兆平說。

　　在石墨烯薄膜制備上，CVD（化學氣相沉積）法是當前主流方法。其中卷對卷連續CVD制備技術可實現石墨烯從單片到成卷制備，大幅提高制備效率和一致性。

　　劉兆平說，日本索尼、韓國三星、麻省理工學院和密歇根大學都先后進行了卷對卷制備石墨烯薄膜的探索，但制備效率均不理想。其中主要的技術挑戰是，如何讓石墨烯在運動銅箔上快速生長、如何讓大寬幅銅箔在接近融化狀態下快速傳送、如何把石墨烯快速無損轉移到柔性基材及任意基材、如何實現石墨烯多層轉移。

 劉兆平團隊近年來著力攻克石墨烯卷對卷制備技術挑戰，目前已建成年產百萬平米石墨烯薄膜卷材中試生產線，可制備0.5米寬幅石墨烯薄膜，每分鐘超過5米，一次成卷上1000米，成本低于ITO（氧化銦錫），可轉移至聚酯、玻璃、陶瓷等多種基材，率先實現了石墨烯薄膜卷材低成本規模化制造。

　　從石墨烯應用來看，石墨烯微片的導電、導熱、阻隔等特性可廣泛應用于電池、橡塑、涂料等行業，支撐傳統行業轉型升級；石墨烯薄膜的柔性、透明、導電等特性可用于柔性電子及傳感器，推動變革性技術發展。

　　劉兆平說，目前，石墨烯微片在新一代動力鋰電池、石墨烯薄膜在電熱膜應用上取得了初步成效，但石墨烯應用仍待突破諸多共性關鍵技術問題，如石墨烯微片的分散、復合，石墨烯薄膜的表面功能化、器件加工等。同時，質量和成本問題仍然是制約石墨烯產業化應用的瓶頸。

　　“石墨烯技術創新和產業化，必須與相關應用行業深入融合。下游應用要提前切入石墨烯原材料生產過程，并以下游應用為主推動技術創新。同時，要進一步完善產學研用資協同創新的體制機制。”劉兆平說。