鋰電世界    或許有一天，你會把觸屏平板電腦三折兩疊塞進(jìn)口袋；用幾秒鐘將手機(jī)充滿電，用上半個月不用再充；乘坐超輕型飛機(jī)，駕駛輕型汽車，甚至登上人類夢想的上萬英里的太空電梯……

    所有這些美妙夢想，都來源于一種特殊材料——石墨烯。

    “石墨烯是一種以石墨為原料的納米材料，它是迄今為止世界上已知材料中最輕、最薄、最硬的韌性材料，具有高導(dǎo)電、高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、高比表面積等特點。”4月2日，長期關(guān)注石墨烯發(fā)展的唐山建華實業(yè)集團(tuán)總裁孟英表示，這種超凡的新材料必將在電動汽車、電子信息等多個領(lǐng)域帶來革命性變革，有望成為下一個萬億級的產(chǎn)業(yè)。

    “我們率先研發(fā)出一種新的石墨烯制備方法，適用于低成本大批量規(guī)模生產(chǎn)。”自去年年底，建華實業(yè)在我省投產(chǎn)首條年產(chǎn)50萬克石墨烯生產(chǎn)線之后，目前一條年產(chǎn)100噸的生產(chǎn)線正在緊張組裝中，將于5月底正式投產(chǎn)。對于這一令人期待的石墨烯量產(chǎn)技術(shù)新突破，孟英感到，它將為新型工業(yè)化發(fā)展帶來巨大空間。

    5小時到30分鐘的顛覆

    破解鋰電池充電瓶頸，掀起電動汽車領(lǐng)域革命

    充電僅需5小時便可行駛500公里，今年年初，特拉斯在國內(nèi)的上市可謂是“冬天里的一把火”，掀起電動汽車領(lǐng)域的一場革命。

    雖然電池技術(shù)向前邁出一大步，但仍存在跑上一會兒需要停下來充5小時電的尷尬，充電時間長依然是鋰電池難以逾越的鴻溝。被視為汽車未來發(fā)展方向的電動汽車，因為無法解決這道瓶頸難題，多年來一直在推廣道路上舉步不前。

    “這扇大門，將由石墨烯開啟。”和很多業(yè)內(nèi)專家一樣，孟英非常看好石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，公司的科研團(tuán)隊正在進(jìn)行石墨烯基超級電容和電池的研發(fā)。石墨烯電池一旦問世，有望將電池容量增加1.5倍，充電時間縮短至幾十分鐘。使用石墨烯基超級電容替代電池，充放電時間最短甚至可以達(dá)到幾秒鐘。

    “這也就意味著，以后給電動汽車充電比加油時間還短，這將為電動汽車領(lǐng)域帶來一場顛覆性革命。”孟英表示，目前他們正在布局石墨烯基電容電池生產(chǎn)線，預(yù)計將于今年12月底正式投產(chǎn)。

    在唐山建華實業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)基地，記者領(lǐng)略了石墨烯的“神奇”——雖然與石墨同出一源，卻與我們平時所見的鉛筆芯相差甚遠(yuǎn)，石墨烯微片更像是棉花一樣的黑色絮狀物，它薄如蟬翼、輕若鴻毛，僅僅180克就能盛滿一個容量50升的白色塑料桶。

    孟英解釋說，石墨烯電池之所以充放電速度快、儲能大，就是利用了石墨烯材料的高比表面積、高導(dǎo)電特性，石墨烯材料的導(dǎo)電性能是銅的10至100倍。傳統(tǒng)鋰電池如果快速充放電，必然導(dǎo)致電流增大，而電流過大會引起電池發(fā)熱而縮短使用壽命，甚至引發(fā)爆炸。利用石墨烯的特性將其添加到鋰電池的正負(fù)極材料中，有望解決這一弊端。

    孟英解釋說，鋰電池的工作過程，就是鋰離子從正極到負(fù)極往返擺動的過程。把石墨烯添加到正極材料中，可以提高正極材料的導(dǎo)電能力，增加電池的放電倍率，加快電池的充放電速度。把石墨烯添加到負(fù)極材料中，則可以提高容納鋰離子的能力，增加儲電容量。

    “石墨烯的轟動，是因為它創(chuàng)造了諸多紀(jì)錄，石墨烯一系列神秘的特殊性讓人們對它的應(yīng)用充滿幻想。”孟英這樣描述，石墨烯還是世上最薄、強(qiáng)度最高的材料，它只有0.34納米厚，二十萬層石墨烯疊加起來的厚度大概等于一根頭發(fā)絲的直徑。它比鉆石還堅硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼材還要高上100倍。該材料幾乎完全透光，透光率在97%以上，有望被用于制造新一代高性能電子學(xué)器件。

    目前，該公司近四十人的團(tuán)隊正在致力于石墨烯下游產(chǎn)業(yè)鏈的開發(fā)及應(yīng)用，同時開發(fā)的產(chǎn)品有十幾種。據(jù)介紹，石墨烯在電子、航天、軍工、新能源、新材料等領(lǐng)域有著無比廣闊的應(yīng)用潛力：憑借石墨烯優(yōu)良的電學(xué)性能，它將是最具潛力取代硅制作超微型晶體管的新型材料，未來計算機(jī)的運行速度有望提高10至100倍；其輕盈堅韌的特性，又是制作超輕防彈衣、超輕飛機(jī)材料的首選；利用納米技術(shù)還可以把石墨烯制成一種DNA感測器，用來探測DNA鏈的旋轉(zhuǎn)和位置結(jié)構(gòu)，為基因組測序技術(shù)開辟一條新路徑；石墨烯還可以制成抗菌材料，在殺菌的同時不損傷細(xì)胞。

    1克到500噸的突破

    石墨片剝離出石墨烯微片，打敗產(chǎn)業(yè)化攔路虎

    今年3月初首次到廣東與一家電池企業(yè)洽談合作，孟英僅憑一桶180克的石墨烯微片樣品，不費吹灰之力就敲開了合作的大門。看到這桶樣品，廣東方面負(fù)責(zé)人當(dāng)時就“驚呆了”，沒等孟英開口介紹就主動要求開展合作。

    “與實驗室以1克為計量單位相比，這一桶樣品無疑是天文數(shù)字，具備大規(guī)模生產(chǎn)能力是促成雙方合作的最重要因素。”孟英認(rèn)為，“高質(zhì)量、低成本宏量生產(chǎn)工藝是當(dāng)前石墨烯實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵。”

    目前，建華實業(yè)集團(tuán)石墨烯年產(chǎn)量達(dá)到50萬克，年產(chǎn)100噸的石墨烯生產(chǎn)線也將于5月底投產(chǎn)，各種性能在同行產(chǎn)品中名列前茅。同時，該公司二期年產(chǎn)500噸的生產(chǎn)線已完成了生產(chǎn)工藝設(shè)計工作，正在籌劃年底前在曹妃甸開工建設(shè)。

    那么，石墨怎么才能變成石墨烯？“由于石墨片層與層之間作用力較弱，我們常見的石墨烯大部分都是由石墨片剝離而成。”孟英介紹說，用膠帶黏出石墨烯的辦法顯然不適合工業(yè)化生產(chǎn)。目前業(yè)界主要有化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、熱解碳化硅法等石墨烯批量制備技術(shù)，但全球只有少數(shù)幾家企業(yè)可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

    從2009年開始知道石墨烯至今，孟英一直在試圖找出已有制備技術(shù)不能量產(chǎn)的原因。經(jīng)過幾年研究，他的團(tuán)隊在氧化還原法的基礎(chǔ)上獨辟蹊徑，對已有制備技術(shù)進(jìn)行了變革，設(shè)計了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)工藝和裝備，使大規(guī)模生產(chǎn)成為現(xiàn)實。