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石墨烯鋰離子電池開啟儲能技術新紀元

1、代替矽生產電子產品

矽讓我們邁入了數字化時代,但研究人員仍然渴望找到一些新材料,讓集成電路更小、更快、更便宜。在眾多的備選材料中,石墨烯最引人矚目。石墨烯擁有比矽更高的載流子遷移率(即載流子在電場作用下運動速度快慢的量度),是一種性能非常優異的半導體材料,電子在石墨烯中的運行速度能夠達到光速的1/300,要比在其他介質中的運行速度高很多,而且隻會產生很少的熱量。使用石墨烯作為基質生產出的處理器能夠達到1THz(即1000GHz)。全球半導體晶矽的市場發展穩定,石墨烯可替代晶矽應用在芯片領域,石墨烯如果替代十分之一的晶矽製成高端集成電路,市場容量至少在5000億元以上。

2、石墨烯鋰離子電池開啟儲能技術新紀元

鉛酸電池具有技術成熟、價格較低等優點,但是存在嚴重鉛汙染,將被更先進的產品替代。鎳氫電池具有可大電流快速充放電、耐過充過放、低溫性能好等優點,但能量密度較低使其不能用於純電動車。鋰離子電池能量密度大,循環壽命長,是目前在消費電子領域應用最廣泛的電池,但是其功率密度還不夠大,電池滿充時間需要幾個小時,在純電動車領域的應用碰到了充電難題。超級電容器功率密度高而能量密度低,無法滿足續航要求,不能單獨用於電動車或其他儲能設備。石墨烯鋰離子電池解決了“魚和熊掌不可兼得”的難題,同時滿足了能量密度和功率密度要求,開啟了儲能技術新紀元。石墨烯鋰離子電池可以被應用到消費電子、電動工具、電動自行車、電動汽車和儲能等領域。特別是在電動汽車和儲能領域,石墨烯鋰離子電池具有非常強的競爭力。

石墨烯鋰離子電池可在幾分鍾內滿充,將加快電動汽車產業化進程。目前的電動汽車,因為充電時間長達幾個小時,在市場推廣過程中遇到了充電站配套建設成本高和普通消費者對其接受度較低的問題。石墨烯鋰離石墨烯能夠大幅提升鋰離子電池性能,未來將在負極材料領域有廣闊的市場前景。根據IEK的預測,石墨烯作為負極材料應用在十分之一的鋰離子電池中,其需求量在2500噸以上。更重要的是一分鍾充電技術,鋰離子可再石墨烯表麵和電極之間快速大量穿梭運動的特性,開發出一種新型儲能設備—石墨烯電池。它的功率密度比鋰電池高100倍,能量儲存密度比傳統超級電容高30倍。2008-2013年全球的負極材料的需求量將保持年均20%的增長率,到2013年全球的負極材料需求量將達到3.7萬噸以上。未來有1%的鋰離子電池由使用石墨烯負極材料的需求,那每年對於石墨烯的需求就在250噸以上。

3、石墨烯促進超級電容器發展

超級電容器超級電容器又稱超大容量電容器、金電容、黃金電容、儲能電容、法拉電容、電化學電容器或雙電層電容器(英文名稱為EDLC,即ElectricDoubleLayerCapacitors),是靠極化電解液來存儲電能的新型電化學裝置。它是近十幾年隨著材料科學的突破而出現的新型功率型儲能元件,其批量生產不過幾年時間。超級電容器自麵市以來,全球需求量快速擴大,已成為化學電源領域內新的產業亮點。超級電容器在電動汽車、混合燃料汽車、特殊載重汽車、電力、鐵路、通信、國防、消費性電子產品等眾多領域有著巨大的應用價值和市場潛力,被世界各國所廣泛關注。

美國《探索》雜誌2007年1月號,將超級電容器列為2006年世界七大科技發現之一,認為超級電容器是能量儲存領域的一項革命性發展,並將在某些領域取代傳統蓄電池。碳質材料是目前研究和應用很廣泛的超級電容器電極材料。用於超級電容器的碳質材料目前主要集中在活性炭(AC)、活性碳纖維(ACF)、炭氣凝膠、他納米管和模板炭等。而自從石墨烯被成功製備以來,人們開始探索這種碳質材料在超級電容器中的應用。由於石墨烯具有極高的理論比表麵積,結構上屬於獨立存在的單層石墨晶體材料,故石墨烯片層的兩邊均可以負極電荷形成雙電層。且石墨烯片層所特有的褶皺以及疊加效果,可以形成的納米孔道和納米空穴,有利於電解液的擴散,因此石墨烯基的超級電容器具有良好的功率特性。目前中國市場的超級電容器年需求量可達2150萬隻,約1.2億瓦時,且每年都在以約50%的速度增長,2011年全球超級電容的市場規模將達到50億元以上,並保持著20%的增長速率。

4、替代TTO有極大的前景

目前的顯示器和觸摸屏等器件中的導體材料,主要是使用的氧化銦錫ITO材料。但氧化銦錫的價格高、用量大、易碎、有毒性(與鉛的毒性可比),而石墨烯由於由於其特殊的分子結構而有非常高的導電性,而且石墨烯幾乎完全透明;這兩種性質使得石墨烯本身就是一種性能非常好的透明導體材料,適合用於製作顯示器件。石墨烯的另一個特性是具有高韌性,能夠拉伸20%而不斷裂。使用石墨烯作為導體材料,能夠製成可以折疊、伸縮的顯示器件。而且石墨烯觸摸屏合成對環境無害,需要資源少,並且隨著生產工藝的不斷改進,生產成本有望大大低於傳統氧化銦錫觸摸屏石墨烯。2011年全球僅觸摸屏所需要的ITO導電玻璃就近4500萬片,加上公共查詢、醫療儀器和遊戲機等方麵的應用,預計2012年ITO導電玻璃的市場容量在8500-9500萬片,石墨烯將具有很大的替換空間。以觸摸屏為代表的智能機需求強勁增長,帶動智能機零部件的生產和銷售,其中包括電容屏的生產。

2011年全球智能手機出貨量將達到4.52億台,2012年將增加至6.14億台,年成長率達35.8%.其中Android平台2011年出貨量將達2.06億台,以46%的市占率成為全球最大的智能手機操作係統,未來預期將維持在50%左右。而iOS與WindowsPhone在相關大廠應用生態體係的支持下,2012年市占率有望達到19%與13%.特別今年是我國千元智能機的普及年,觸摸屏的智能機銷售將大旺。基數巨大的觸摸屏手機的銷售,將給石墨烯電容觸摸屏帶來巨大的發展動力。所以,石墨烯行業存在較大投資機會,值得關注。石墨烯觸摸屏,比現有手機觸摸屏更環保、更便宜和更耐用。現有手機觸摸屏的工作層中不可缺少的材料為陶瓷材料氧化銦錫。從技術層麵上講,該成果的問世縮短了產業界對石墨烯材料8-10年產業化的時間預期。今年,該成果可為手機商提供10萬片觸摸屏,成本比現用材料降低30%.正是由於有上述優勢,石墨烯觸摸屏的銷售將有望從零起步,幾何級別增長。

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