石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的一種最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，因其良好的透光性、高導熱系數(shù)、低電阻率和高機械強度等特點，在鋰電池、航空汽車零部件、散熱素材、集成電路等領域發(fā)揮著高效性能，被人譽為“除了吃以外，石墨烯涉及了一切產品及各個領域中”的神奇材料，被稱為金屬類珍貴的“黑金”和“新材料之王”?？茖W家甚至預言石墨烯將是“徹底改變21世紀”的新材料，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業(yè)革命。

資料顯示，經(jīng)歷了2014至2016年的高速發(fā)展后，目前我國從事石墨烯研發(fā)、生產、應用等相關企業(yè)數(shù)量超過400家，約占全球石墨烯企業(yè)數(shù)量的四分之三，且在技術專利方面更是一支獨大，2015年我國已經(jīng)申請了2200多項石墨烯專利技術，約為全球石墨烯專利技術的三分之一。

有專家預計，未來幾年內，石墨烯將主要用于“導電油墨”、“防腐涂料”、“散熱材料”、“鋰電池”、“超級電容”等五大領域。在這五大領域，目前都已取得了重大的突破，石墨烯未來運用前景將越來越廣闊。

導電油墨——“紙電子”成為可能

導電油墨是用導電材料制成的油墨，具有一定程度導電質，可作為印刷導電點或導電線路之用。近年來在手機、玩具、薄膜開關、太陽能電池、遠紅外發(fā)熱膜以及射頻識別技術等行業(yè)中應用越來越廣泛。過去數(shù)十年，導電油墨最大的下游是太陽能電池以及顯示器件。未來包括觸摸傳感器及其電極、RFID以及電子紙張的應用也將同時保持增長。

石墨烯是一種神奇的材料：這種碳蜂窩結構只有一個原子厚。它具有很好的導電和導熱性能；它強大而又穩(wěn)定。但研究人員一直都苦于無法將其從用于研究材料特性的實驗室小樣品推進到可以用于實際應用的更大片的樣品。最近的用噴墨打印機來打印多層石墨烯電路和電極的項目使得工程師們考慮將它用于柔性可穿戴的低成本電子產品上。

愛荷華州立大學JonathanClaussen實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)，用脈沖激光工藝對噴墨印刷的多層石墨烯電路和電極進行處理提高了導電性，而不會損壞紙張，聚合物或其他脆弱的印刷表面。為了使這一切變成可能，工程師們開發(fā)了計算機控制的激光技術，其可以選擇性地照射噴墨印刷的石墨烯氧化物。該處理移除了油墨粘合劑，并減少了石墨烯上的石墨烯氧化物——從物理上將數(shù)以百萬計的小石墨烯薄片拼接了起來。該工藝使電導率提高了超過一千倍。

局部化的激光處理工藝也將印刷石墨烯的形狀和結構從一個平坦的表面轉變成隆起的三維納米結構。工程師們說，該三維結構就像是從表面升起的微小花瓣。粗糙的脊狀結構增加了石墨烯的電化學反應活性，使它可以用于化學和生物傳感器。根據(jù)Claussen的納米工程師團隊所說，所有這一切將會使石墨烯走向商用。

散熱材料——石墨烯散熱鑄件問世

電子和光子器件的散熱是影響電子技術發(fā)展的主要問題，手機、電腦、微型電路等設備的散熱主要通過各類散熱片來解決。目前，市場中的電子產品的散熱片主要是石墨散熱片。但是，石墨烯導熱片的導熱快、可折疊等性能要遠遠優(yōu)于石墨片，極佳的散熱材料如熱導纖維、熱導塑料等，并且技術難度小、工藝相對成熟，存在快速進入市場的機會。尤其在智能手機領域，手機要求輕薄、便攜，未來要求可折疊，因此石墨烯導熱膜具有極大優(yōu)勢。預估未來采用石墨烯散熱膜進行散熱的散熱組件占總電子產品及LED產品市場的10%，即可為石墨烯散熱膜帶來15-20億左右的市場空間。

廈門泰啟力飛發(fā)布的石墨烯新型散熱鑄件型材，主要運用于光電器件。泰啟力飛在兩年的時間里，依托廈大物理系、無錫石墨烯產業(yè)基地，檢定了600多種石墨烯的特性，積累了大量的實驗數(shù)據(jù)。將各種品相的石墨烯成功的摻雜在各種高分子產品中。這次發(fā)布的PB0730070系列，性能上比肩鑄鋁：傳統(tǒng)鋁件的導熱系數(shù)為95～110，PB0730070的導熱系數(shù)達到85。

傳統(tǒng)的鋁型材，在結構設計上面臨很多制約，而PB07系列材料，卻可以做出各種形制，光電結構工程師在設計上會有更多的選擇余地。結構上的設計優(yōu)勢，使得這款散熱器具備比鋁型材更好的散熱性能。在綜合成本上，鋁的比重2.7，但PB07的比重只有1.68。在工業(yè)成本的核算上，比鋁型材的成本降低30%。

超級電容——柔性化微型化超級電容器研究新突破

石墨烯的電導率高、比表而積大、且化學結構穩(wěn)定，表而更有效的釋放，有利于電子的滲透和運輸，更加適合作為超級電容器電極材料。目前，我國已經(jīng)實現(xiàn)石墨烯超級電容器的投產，技術上已經(jīng)完全可以實現(xiàn)石墨烯超級電容器的生產。

近日，中國科學院大連化學物理研究所二維材料與能源器件創(chuàng)新特區(qū)研究組（DNL21T3組）研究員吳忠?guī)泩F隊在柔性化、微型化石墨烯基超級電容器的研究中取得新進展，成功獲得了二維噻吩納米片與石墨烯疊層結構復合薄膜，并應用于高性能、柔性化、微型化超級電容器。相關研究成果發(fā)表在《先進材料》雜志上（AdvancedMaterials，DOI:10.1002/adma.201602960）。

近年來，隨著高度集成化、輕量便攜化、可穿戴式、可植入式等新概念，特別是柔性化電子產品概念的不斷提出，迫切需要開發(fā)與其高度兼容的具有高儲能密度、柔性化、功能集成化的微型儲能器件。

為實現(xiàn)這一目標，該研究團隊在前期研究中將甲烷等離子體還原技術和光刻微加工技術相結合，成功制備出石墨烯基高功率平面微型超級電容器；采用層層自組裝氧化石墨烯與多聚賴氨酸，并在層間插入硼酸，經(jīng)高溫處理獲得氮硼共摻雜的石墨烯薄膜應用于高體電容和倍率性能的微型超級電容器；利用交替堆疊的方法制備出高致密、高導電性聚合物/石墨烯、活化石墨烯/石墨烯薄膜材料，應用于高比能量微型柔性超級電容器；利用噴涂方法制備出石墨烯導電聚合物薄膜，應用于超薄、可打印、具有交流線性濾波功能的超級電容器，這些柔性化、微型化超級電容器對于未來的電子器件展現(xiàn)出重要的應用前景。

鋰電池——新型鋰電池面世

石墨烯在鋰離子電池中的應用比較多元化，目前已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的是用在正極材料中作為導電添加劑，來改善電極材料的導電性能，提高倍率性能和循環(huán)壽命。目前比較成熟的應用是將石墨烯制成導電漿料用于包覆磷酸鐵鏗等正級材料。正極用包覆漿料目前主要包括石墨漿料、碳納米管漿料等，隨著石墨烯粉體、石墨烯微片粉體量產、成本持續(xù)降低的情況下，石墨烯漿料將呈現(xiàn)更好的包覆性能。石墨烯漿料將隨鋰電池增長而穩(wěn)步上升。鋰離子電池主要應用于手機、筆記本電腦、攝像機等便攜式電子器件等方面，并積極地向電動力汽車等新能源汽車領域擴展，具有長期發(fā)展前景。

東旭光電推出的全球首款石墨烯基鋰電池——“烯王”，據(jù)報道，石墨烯基鋰電池可實現(xiàn)15分鐘快速充放電，同時還能在-30至80℃環(huán)境下工作，循環(huán)壽命高達3500次左右。無論是充電時間、還是工作環(huán)境以及壽命，這種新型電池都比傳統(tǒng)鋰電池強出許多。

中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所劉錦淮等通過美國伊利諾伊大學香檳分校和中科院合肥研究院合作研制了一種基于三維石墨烯的復合電池材料，具有高的活性材料負載量、短的離子電子傳輸路徑，而且電極材料組裝成電池不需要使用任何粘結劑和導電劑等添加劑，電池具有高容量和優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。研制的三維石墨烯/五氧化二釩電池正極材料，在12分鐘完全充/放電條件下，循環(huán)2000次后電池容量大于200mAh/g（大量文獻報道小于1000次、容量普遍低于150mAh/g）；而且1分鐘充電的容量，達到商用和文獻報道的大于5分鐘的相近容量。此外，該三維石墨烯復合電池材料結構設計還可以應用于鋰離子電池負極材料，比如研制石墨烯/硅復合負極，展現(xiàn)出良好的通用性。

防腐涂料——重防腐涂料問世

目前國內防腐涂料消費量近180萬噸，占世界防腐涂料總消費量的40%以上。我國防腐涂料需求主要集中在船舶、石油化工、橋梁、集裝箱等領域。涂料中添加石墨烯后，石墨烯能夠形成穩(wěn)定的導電網(wǎng)格，有效提高鋅粉的利用率，從實際效果來看，添加約5%的石墨烯粉，可減少50%鋅粉的使用量。同時，石墨烯涂層能在金屬表而與活性介質之間形成物理阻隔層，對基底材料起到良好的防護作用。

11月3日，位于浙江寧波的全國首家電網(wǎng)新材料應用聯(lián)合實驗室對外宣布，他們利用新材料石墨烯研制出了全新的重防腐涂料，將應用在電網(wǎng)領域，今后電網(wǎng)的防腐抗冰能力有望大大提升。目前市場上主要的重防腐涂料是富鋅底漆，不但防護壽命短，而且大量使用鋅，浪費資源，與環(huán)保理念相悖。石墨烯重防腐涂料中鋅含量只占20%甚至是零，而且性能至少提高兩倍。此次研發(fā)的石墨烯重防腐材料填補了國內電網(wǎng)防腐涂料技術空白。