石墨烯现行产业化的2个经典案例

现如今，石墨烯已成为基础研究和应用技术领域中最受关注的材料之一，而其中一个主要原因就是石墨烯具有诸多优良特性。实际上，我们常说的“石墨烯”，是具有不同结构、形貌、有时甚至不同化学组成的一系列材料的总称。这些 “石墨烯”的不同性质与其制备方法息息相关，尤其给非专业人士带来极大的困扰；但同时也正是这些丰富特性，使得石墨烯在涵盖了一系列技术、成本和制备方法的众多领域大放异彩。

不同形式的石墨烯材料可根据应用和技术的要求，选用不同制备方法得到。这些不同的制备方法给技术人员和产品工程师带来了严重的困扰，而石墨烯形态的多样化直接导致了在石墨烯应用上大量不一致、甚至相互矛盾的结果。为在应用技术及材料制造上实现和科学界一致的理解，石墨烯在商业化过程中应当尽可能将自身融入现有技术和供应链之中，并对标现存的规则和制度。石墨烯材料和产品制造商必须建立与消费者之间的有效沟通机制（材料与产品制造商之间同样需要），以构建具有快速、有效改变石墨烯性质能力的且不显著改变现有技术链的体系。

（图片来自网络） 尽管从实验室走向产业化困难重重，但石墨烯已经实现若干产品化规模应用的成功案例；这通常需要下游的产品制造商和上游的石墨烯材料供应商共同投入时间、资金，面向特定应用对石墨烯材料的特征进行定向开发。该过程需解决的典型问题包括：确保新材料性能参数的良好重现性、生产设备的兼容性、制造流程方面的技术障碍。在这一过程中，材料供应商和产品制造商间的有效协同，不仅可以对原材料供应参数进行严格界定（这些参数常会转变为企业和工业标准），也会对生产过程提出要求。

这里我们给出两个例子。 导热散热产品案例 第一个应用与石墨烯的高热导相关。石墨烯研究中报道的高达5000W/m K的热导率数值很可能是所有材料中最高的。与此同时，传热与散热是现代电子技术中最重要的难题之一：晶体管的微型化与时钟频率的增加使得现代电子技术的散热需求逐步增加，以致对高效冷却的强烈诉求。为实现高效散热，高热导材料例如由聚酰亚胺石墨化得到的石墨膜已在电子设备中得到广泛利用。但该类石墨膜存在两个重要缺陷：柔性不佳及随厚度增大而迅速下降的热导率（比如热导率从20微米薄膜的2000W/m K下降到100微米薄膜的700W/m K）。

由氧化石墨烯薄膜经过高温还原、加压致密化而得到的石墨烯薄膜则有效缓解了这些问题，石墨烯薄膜的柔性特征易于保留且其热导率随厚度并无明显变化，已被积极用于芯片散热。华为公司认为，石墨烯薄膜可以为5G时代的高散热需求提供优秀的解决方案。其中显而易见的是，原材料生产商在推动其材料匹配下游产品制造商的需求上需付出大量努力，因为除了热导率（也需满足企业或者行业标准进行测试）这一显然要求外，还有很多参数需经调控（尽管并非同时需要），如电导、厚度、热膨胀、使用温度等。

此外还有一些隐形需求，例如由于薄膜需要裁成特定形状，因而额外增添了对层间脱落的限制，相当于对石墨烯原料的片径、表面状态等提出了要求。

电池电极产品案例

另一个例子是关于石墨烯用于电池电极。石墨烯自诞生之初，其在储能方面的应用就被寄予厚望。的确，大量研究也已证明石墨烯的高表面积、高电导率和化学稳定性，使其作为电池主体材料或辅助材料具备一定优势。例如，一些理论认为，石墨烯作为锂离子电池负极可以提供两倍于石墨的储锂容量。

然而，相比于锂离子在石墨插层反应对应的稳定电压平台，石墨烯上的锂离子吸附及副反应十分复杂，且和石墨烯的结构缺陷与化学掺杂息息相关。事实上，低首次库伦效率和稳定性问题使石墨烯难以在现有锂电池体系中作为主体材料，因而目前石墨烯在能源方面主要作为导电添加剂使用。本质而言，石墨烯薄片的二维特性及柔性特征有助于其通过包覆活性物质以改善电极的电导率，相比于一维的碳纳米管和炭黑情况下的点接触导电，可能具有明显优势。但部分研究认为，二维石墨烯片层可能会阻碍锂离子的输运，因而在石墨烯与电极颗粒的尺寸之间需要建立某种匹配，或在石墨烯面内引入孔隙。

另一项要求是石墨烯在电池工业使用的特定溶剂中的分散性。当分散性问题和片径调控得以解决，石墨烯基导电添加剂可能在锂离子电池中的应用实现爆炸式增长；当前比亚迪公司每年采购至少数百吨含石墨烯薄片的浆料以提高磷酸铁锂正极性能。然而，该行业仍处于起步阶段，许多电池公司仍在对导电添加剂的成分和应用方式进行试验；为加速这一过程，石墨烯导电添加剂的片径、厚度、化学组分和杂质的有关表征必须严格控制。另外其他参数如预混的石墨烯浆料粘度、稳定性等，也需要由材料生产商进行管控。