中國粉體網(wǎng)訊 當(dāng)前,世界能源格局深刻調(diào)整,供求關(guān)系總體緩和,應(yīng)對氣候變化進入新階段。作為改變?nèi)蚰茉唇Y(jié)構(gòu),應(yīng)對氣候變化的重要選擇,新能源正迎來新的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn),新一輪能源革命蓬勃興起,能源國際競爭焦點將從傳統(tǒng)的資源掌控權(quán)、戰(zhàn)略通道控制權(quán)向轉(zhuǎn)型變革主導(dǎo)權(quán)等擴展,這必將催生新一輪產(chǎn)業(yè)升級和科技革命。在這樣的背景下,與新能源緊密相關(guān)的新材料產(chǎn)業(yè),比如石墨烯產(chǎn)業(yè),既是未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo),也勢必會對全球科技、能源、環(huán)境等各個領(lǐng)域發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。
石墨烯的基本特點
石墨烯是目前世界上已發(fā)現(xiàn)的最薄最輕最強的新型納米材料,能廣泛應(yīng)用于電子信息、資源能源、生物醫(yī)藥等80多個領(lǐng)域,因此被稱為“黑金”,并享有“新材料之王”的美譽。有科學(xué)家預(yù)言,石墨烯將“徹底改變21世紀”,極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。
石墨烯是最薄最輕的新型“超級材料”。其厚度是一張A4紙厚度的十萬分之一,頭發(fā)絲的五十萬分之一,重量比空氣還輕。鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的痕跡就可能是幾層到幾十層石墨烯,厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。石墨烯是人類已知的強度最高的材料,強度是普通鋼材的100倍。此外,石墨烯還具有良好的韌性,單位面積石墨烯片可承受4kg重量,其韌性相當(dāng)于碳纖維的20倍,不易斷裂。例如,如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的(厚度約100納米)石墨烯包裝袋,那么它將能承受大約兩噸重的物品。石墨烯的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能高、透光性強,是室溫下最好的導(dǎo)熱材料,導(dǎo)熱性能是碳納米管的1.51倍,是銅的13倍,銀的10倍。它也是室溫下最好的導(dǎo)電材料,電子在石墨烯中的運動速度達1000千米/秒,是光速的1/300。
近兩年,我國先后建立了4個石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基地,國家領(lǐng)導(dǎo)人也多次實地考察石墨烯產(chǎn)業(yè)化情況。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2016—2021年中國石墨烯行業(yè)深度市場調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》數(shù)據(jù)顯示,我國申請的石墨烯專利數(shù)量最多,已超過2200項,占全世界的1/3。在政策方面,2015年以來,我國已經(jīng)在《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》等多個重要文件中提及石墨烯發(fā)展目標,2016年國家公布的“十三五”規(guī)劃第23章中,國家也明確了石墨烯在戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)中的重要性,石墨烯作為高端材料進入到“十三五”產(chǎn)品目錄。
石墨烯對全球未來能源結(jié)構(gòu)的影響
能源與環(huán)境是人類發(fā)展永恒的主題。人類歷史上每一次偉大的工業(yè)時代都以世界能源革命和新的主導(dǎo)型能源機制的引入為基礎(chǔ)和標志。新一輪能源革命的主要特征是全球化、低碳化、智能化,其間伴隨著舊世界秩序的解體和新世界秩序的重構(gòu)。這將決定哪些國家最終能贏得未來百年的戰(zhàn)略發(fā)展主動權(quán)。傳統(tǒng)化石能源的來源、通道將不再是各國博弈的重點,爭奪能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新的技術(shù)制高點將成為國家競爭的核心內(nèi)容,石墨烯等新材料技術(shù)的應(yīng)用將是重塑全球能源未來的關(guān)鍵。
突破可再生能源發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用,首先是促進可再生能源(如風(fēng)能、太陽能等)的有效利用。《BP世界能源展望(2017版)》于2017年3月在中國發(fā)布。該報告對全球能源發(fā)展趨勢作出預(yù)測,到2035年全球能源消費將增長約30%?稍偕茉丛鲩L最快,將在未來20年內(nèi)翻兩番,盡管如此,化石燃料在2035年仍是全球能源供應(yīng)主要來源(77%)。可再生能源所占比重將不超過20%,一個重要的原因就是可再生能源的儲能問題一直沒有得到有效解決。大規(guī)模儲能技術(shù)的引入將有效提高可再生能源的使用和其發(fā)電的入網(wǎng)效率。而石墨烯因理論上具有較大的比表面積、優(yōu)良的導(dǎo)電性、力學(xué)性能好的特點而被認為是一種理想的超級電容器(一種高效的儲能裝置)電極材料。目前,國內(nèi)以及日本、韓國、英國有很多學(xué)者對石墨烯進行研究和修飾,石墨烯+超級電容器有望在新能源利用方面取代傳統(tǒng)電容器,實現(xiàn)其在智能電網(wǎng)儲能系統(tǒng),能量傳輸系統(tǒng),風(fēng)能、光伏發(fā)電能量儲存系統(tǒng),分布式發(fā)電儲能系統(tǒng)等方面的應(yīng)用,提高能量存儲效率,減少傳輸過程中的能量損失,減少能源消費中的浪費。有專家預(yù)測,石墨烯在能源領(lǐng)域的使用,將有助于提高可再生能源在能源消費結(jié)構(gòu)中的比例,預(yù)計到2035年,可再生能源的消費占比將達到30%左右。
石油的間接“替代品”。石墨烯的使用不但可以提高可再生能源的消費比例,還可以成為石油的間接“替代品”。一是可以制成石墨烯燃油添加劑,使納米級的石墨烯片層在燃燒室內(nèi)高溫高壓的作用下,迅速附著并滲透至金屬氣缸表面,在短時間形成“油膜”,提升氣缸壓力。初步應(yīng)用表明,在不改變油品的情況下,實際節(jié)油率達25%以上,減排力度達50%以上。二是可以將石墨烯與鋰離子電池相結(jié)合,使其成為新能源汽車的理想、高效電源。電動汽車要求儲能裝備不但具有高能量密度,還要具有高安全性、環(huán)境友好性、快速充電等特性。石墨烯具有良好的導(dǎo)電性,被視為一種優(yōu)良的導(dǎo)電劑。添加了10%的石墨烯鋰離子電池,其充放電性能均優(yōu)于添加其他材料的電池。研究成果表明,石墨烯聚合材料電池的儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的三倍。用此電池提供電力的電動汽車能行駛超過1000公里,充電時間大大減少,充電次數(shù)可達3000次以上,電池的重量不足傳統(tǒng)充電電池的一半。雖然目前這些數(shù)據(jù)還僅僅是處于實驗室階段,但為新能源汽車的大力發(fā)展和普及提供了可能。
但是,需要注意的是,石墨烯技術(shù)應(yīng)用仍有幾項重大困難(比如,工藝上來看,如何批量化地制備大面積、穩(wěn)定性好、高質(zhì)量的石墨烯就是一大難題);產(chǎn)業(yè)更新成本巨大,難以簡單取代現(xiàn)有設(shè)備。除技術(shù)與成本外,石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大的瓶頸在于沒有形成完整的、成熟的產(chǎn)業(yè)鏈上下游。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2016—2021年中國石墨烯行業(yè)深度市場調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》顯示,石墨烯產(chǎn)業(yè)仍處于中游專利布局階段,下游產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成,即處于產(chǎn)業(yè)化初期,沒有完全實現(xiàn)石墨烯的規(guī)模化應(yīng)用,對石墨烯產(chǎn)品最大的需求市場仍然是科研院校和少量生產(chǎn)廠商,仍然是以初級低端應(yīng)用為主。石墨烯研發(fā)制備企業(yè)和下游應(yīng)用企業(yè)脫節(jié)。由于下游需求未起,大部分石墨烯企業(yè)目前仍無法找到穩(wěn)定的商業(yè)模式和盈利模式。石墨烯作為“替代材料”還有很長的路要走。