石墨烯新技术有望大幅提升锂电池容量
一天不到就用完的锂电池是不少人在使用智能手机等电子产品时最大的烦恼。近日，在厦门大学发布的一种基于石墨烯技术的新型添加剂有望解决这一难题。
在当天举行的“石墨烯应用技术研讨会”上，美国蓝石科技与辉锐科技联合发布了这一最新合作成果。这种硅基高能负极材料添加剂可大幅度提升电池容量，且具有很高的稳定性。
锂电池广泛应用在手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴电子设备、电动汽车等众多产品中。正常使用下，一个2500毫安时的锂电池往往撑不过一天，因此业界一直在努力实现电池容量的突破，但锂电池的容量提升在目前已经遇到技术瓶颈。
研讨会上，美国蓝石科技首席执行官赖中平博士在其“大面积石墨烯制备及其在锂电池负极材料应用”的报告中介绍，石墨烯优异的导电性能可以提升电极材料的电导率，进而提升锂离子电池的充放电速度;石墨烯的二维层状结构可以有效抑制电极材料在充放电过程中因体积变化引起的材料粉化;石墨烯还能很好地改善锂电池的大电流充放电性能、循环稳定性和安全性。
他预计，新技术在短期内可实现锂离子电池20%的容量提升，在3-5年内达到容量提升50%的可能性非常大。
除了在容量上的大幅度提升，赖中平说，新技术还能成倍缩短充电时间，可使电动汽车一次充电行使500公里以上，推动电动汽车尽早进入家用。
研讨会由2010年诺贝尔物理学奖获得者康斯坦丁˙诺沃肖洛夫教授主讲。诺沃肖洛夫教授介绍了当前国际上最新的石墨烯应用研究进展，展望了未来石墨烯在电子信息、医药、光电等领域的应用前景。
蓝石科技是全球最早一批专业开展石墨烯技术研究的知名企业，拥有多项石墨烯研究领域专利。辉锐科技是一家国际领先的石墨烯应用开发公司，致力于推动石墨烯在产业和现实生活中的应用。
石墨烯助力动力锂电池 18分钟充满电
我们目前正在研究用以电动汽车的石墨烯电池，希望可以和重庆的相关企业合作。”来自意大利的费瑞博士介绍，意大利在纳米材料石墨烯的研究上很有优势，目前他们在将石墨烯和锂进行组合研发电动汽车电池，现在已经能够在18分钟内就将电池充满，一次充电可以跑600公里，而以前需要12个小时，下一步他们的目标是几秒钟。同时，意大利在制造业等领域也具有很多的优势，希望能结合重庆的发展，和重庆的企业一起合作。
来自意大利布朗多尼阀门有限公司北京分公司的亚太地区销售总监亚历山大，昨日一下飞机就赶到了对接会现场。他说他们公司有50多年的历史，2006年进入中国并投资建厂，以前想来重庆但没有渠道，这次意大利企业组团来重庆高交会，他特地赶了过来，希望能拓展中国西南地区的市场。
100吨石墨烯生产线河北投产
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，建华实业在河北省投产首条年产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。
石墨烯呼之欲出 石墨艰难生存
作为2010年度诺贝尔物理学奖主题，石墨烯(一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，可由石墨获得)进入应用领域已呼之欲出。许多科学家认为该产品是革命性的新材料，将推动电子产业步入新的发展阶段，撬动至少千亿级的产业链。
目前探明的全球天然石墨储量约为7100万吨，其中中国储量约为5500万吨，占全球储量的77%，居世界首位。然而，同样占全球储量的70%以上，同样是国家战略储备资源，石墨却并不如稀土那样受到重视。我国石墨产业并不理想，长期处于产业链条中的原料供应者。
“中国石墨界如果再走低端路线，恐怕就连做苦劳力的资格都没有了!”中国石墨行业协会轮值会长、内蒙古日新集团董事长张彬对中国石墨产业的现状十分担心。他认为，石墨对于工业发展的重要意义，比稀土有过之而无不及。国家层面应该更多地关注这一产业的转型升级。
早在5年前，在能源行业转征战多年的张彬，以51亿人民币的巨资投向了石墨深加工，目前日新集团规模已经成长为中国石墨行业第一、全球第二。
石墨由于其特殊的结构，具有耐高温性、抗热震性、导电性、润滑性、化学稳定性以及可塑性等众多特性，一直是军工与现代工业及高、新、尖技术发展中不可或缺的重要战略资源，石墨应用范围广泛。曾有专家预言：20世纪是硅的世纪，21世纪将是石墨的世纪。
石墨的尴尬：
低价出口原料，高价进口产品
我国石墨出口价格长期保持在每吨3000~4000元人民币之间，但经国外加工提纯再进口至中国，价格便成了10万到20万元人民币每吨。
根据我国海关公布的数据，2010年，我国石墨出口量约为58.55万吨，进口量为7.6万吨。这样的进出口格局已经持续了近30年。
“没有国内下游生产企业的强大，原料出口便没有定价权，没有自主产品在市场上的打拼，进口产品同样会卖我们天价。”张彬告诉记者，“如果不改变石墨行业的格局，再过20年，中国将无石墨可采!”
张彬的话并非危言耸听，黑龙江省的一份分析报告显示：我国目前约有近千家石墨企业，石墨资源滥采乱掘、采富弃贫、粗放经营、管理水平低的现象比较普遍，开采和加工呈现无序化状态。如果按照目前的开采方式和速度，最多20年，国内已探明的石墨资源将消耗殆尽，届时中国将从国外高价进口石墨，由石墨大国变成石墨贫国。
黑龙江奥宇石墨集团有限公司党委书记刘金柱此前在接受采访时说：石墨初级产品大约以每吨3000元~4000元价格出口，但被加工成一个人工心脏瓣膜，价格高达12万元。
中国工程院院士周玉认为：由于我国并不掌握石墨深加工核心技术,而先进石墨加工技术被美日欧盟等少数国家垄断,导致我国石墨资源“低出高进”,外国“以购代采”的状态长期存在。
与此同时，更多的乱象也发生在销售领域，由于大多为原料销售，市场秩序混乱相互竞价成为常态，致使资源低价流失海外。
全产业链模式初战告捷
谈及石墨产业，张彬认为不缺资金，不缺市场，主要缺人才。
2011年，张彬旗下瑞盛新能源与清华大学合作，开启了世界微晶石墨深加工的攻关之路，进而研究微晶石墨在等静压石墨锂离子负极材料上的性质和应用，填补了国内空白。同年与中科院山西煤炭化学研究所合作开展的高导热石墨材料成为世界领先。2013年底，瑞盛新能源与清华大学在石墨烯基导电剂项目上再度合作。
此外，张彬还曾不惜千万元重金在国内买专利，并组建了100人的科研团队和自己的实验室。目前，瑞盛新能源已经拥有10多项国内专利技术和12个主打产品，虽然投入与产出之间的差距依然很大，但让张彬感到欣慰的是：2013年，瑞盛新能源六大产品上市，中国石墨进口价格明显下降，而一直被一家瑞士企业垄断的一次导电剂产品，在瑞盛新能源全面推出同类产品后，该企业已于2014年元月宣布在中国停止供货。
虽然初战告捷，但张彬并未放松，他认为，全产业链模式仅仅是开了个局。
2010年，张彬开始整合内蒙古石墨矿资源，拿下了中国唯一未被大规模开采的大鳞片天然石墨矿——内蒙古兴和石墨矿，整合了巴彦淖尔市乌拉特中旗石墨矿。由此，张彬一举占据了中国石墨资源的五分之一。
随后，张彬投入33亿元人民币，打造了一个中国石墨高新产业谷。张彬的远景规划是，打造中国唯一一个石墨全产业链生产和研发基地。
石墨应借鉴稀土管控模式
目前，我国石墨产业受制于人的现象明显。张彬举例说，我国核电站使用的“各向同性石墨”几乎全部来自日本的东洋碳素，每吨价格约45万元，成本不过5万元，由于国内长期技术落后，价格主导权一直掌握在美日手中。
张彬认为，企业科技水平提升的保障是行业能在规范的环境下运行，这方面还要依赖于国家和地方对行业的整顿和对企业的严格准入。
由于储量占全国的60%，黑龙江省对石墨的关注度一直较高。2011年，黑龙江省科技厅组织中国工程院9位院士和中国石墨产业领域27位专家谋划石墨产业做大做强的方法和措施。内蒙古则是以矿山资源整合的模式率先清理了小企业的低水平开采，引入龙头企业加大投入力度，开创了一套全新的模式。
业内人士认为，要确保石墨行业健康持续发展，还需要国家借鉴稀土资源管控模式，从全国范围内调控石墨产能，鼓励科技研发，统筹规划石墨产业发展。相关部门应加大对石墨产业扶持、统筹规划石墨产业,保护性开发石墨资源是当务之急。
(本文综合新华网、重庆晨报、中国精英网、中国经济周刊等媒体报道。)
原标题：黑金石墨烯效应凸显中国石墨产业危机
