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石墨烯将重塑全球能源结构的未来

当前,世界能源格局深刻调整,供求关系总体缓和,应对气候变化进入新阶段。作为改变全球能源结构,应对气候变化的重要选择,新能源正迎来新的发展机遇与挑战,新一轮能源革命蓬勃兴起,能源国际竞争焦点将从传统的资源掌控权、战略通道控制权向转型变革主导权等扩展,这必将催生新一轮产业升级和科技革命。在这样的背景下,与新能源紧密相关的新材料产业,比如石墨烯产业,既是未来高新技术产业发展的基石和先导,也势必会对全球科技、能源、环境等各个领域发展产生深刻影响。

石墨烯的基本特点

石墨烯是目前世界上已发现的最薄最轻最强的新型纳米材料,能广泛应用于电子信息、资源能源、生物医药等80多个领域,因此被称为“黑金”,并享有“新材料之王”的美誉。有科学家预言,石墨烯将“彻底改变21世纪”,极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

石墨烯是最薄最轻的新型“超级材料”。其厚度是一张A4纸厚度的十万分之一,头发丝的五十万分之一,重量比空气还轻。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层到几十层石墨烯,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。石墨烯是人类已知的强度最高的材料,强度是普通钢材的100倍。此外,石墨烯还具有良好的韧性,单位面积石墨烯片可承受4kg重量,其韧性相当于碳纤维的20倍,不易断裂。例如,如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100纳米)石墨烯包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。石墨烯的导热导电性能高、透光性强,是室温下最好的导热材料,导热性能是碳纳米管的1.51倍,是铜的13倍,银的10倍。它也是室温下最好的导电材料,电子在石墨烯中的运动速度达1000千米/秒,是光速的1/300。

近两年,我国先后建立了4个石墨烯产业创新基地,国家领导人也多次实地考察石墨烯产业化情况。据前瞻产业研究院《2016—2021年中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》数据显示,我国申请的石墨烯专利数量最多,已超过2200项,占全世界的1/3。在政策方面,2015年以来,我国已经在《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》等多个重要文件中提及石墨烯发展目标,2016年国家公布的“十三五”规划第23章中,国家也明确了石墨烯在战略新兴产业中的重要性,石墨烯作为高端材料进入到“十三五”产品目录。

石墨烯对全球未来能源结构的影响

能源与环境是人类发展永恒的主题。人类历史上每一次伟大的工业时代都以世界能源革命和新的主导型能源机制的引入为基础和标志。新一轮能源革命的主要特征是全球化、低碳化、智能化,其间伴随着旧世界秩序的解体和新世界秩序的重构。这将决定哪些国家最终能赢得未来百年的战略发展主动权。传统化石能源的来源、通道将不再是各国博弈的重点,争夺能源领域科技创新的技术制高点将成为国家竞争的核心内容,石墨烯等新材料技术的应用将是重塑全球能源未来的关键。

突破可再生能源发展瓶颈的关键。石墨烯在能源领域的应用,首先是促进可再生能源(如风能、太阳能等)的有效利用。《BP世界能源展望(2017版)》于2017年3月在中国发布。该报告对全球能源发展趋势作出预测,到2035年全球能源消费将增长约30%。可再生能源增长最快,将在未来20年内翻两番,尽管如此,化石燃料在2035年仍是全球能源供应主要来源(77%)。可再生能源所占比重将不超过20%,一个重要的原因就是可再生能源的储能问题一直没有得到有效解决。大规模储能技术的引入将有效提高可再生能源的使用和其发电的入网效率。而石墨烯因理论上具有较大的比表面积、优良的导电性、力学性能好的特点而被认为是一种理想的超级电容器(一种高效的储能装置)电极材料。目前,国内以及日本、韩国、英国有很多学者对石墨烯进行研究和修饰,石墨烯+超级电容器有望在新能源利用方面取代传统电容器,实现其在智能电网储能系统,能量传输系统,风能、光伏发电能量储存系统,分布式发电储能系统等方面的应用,提高能量存储效率,减少传输过程中的能量损失,减少能源消费中的浪费。有专家预测,石墨烯在能源领域的使用,将有助于提高可再生能源在能源消费结构中的比例,预计到2035年,可再生能源的消费占比将达到30%左右。

石油的间接“替代品”。石墨烯的使用不但可以提高可再生能源的消费比例,还可以成为石油的间接“替代品”。一是可以制成石墨烯燃油添加剂,使纳米级的石墨烯片层在燃烧室内高温高压的作用下,迅速附着并渗透至金属气缸表面,在短时间形成“油膜”,提升气缸压力。初步应用表明,在不改变油品的情况下,实际节油率达25%以上,减排力度达50%以上。二是可以将石墨烯与锂离子电池相结合,使其成为新能源汽车的理想、高效电源。电动汽车要求储能装备不但具有高能量密度,还要具有高安全性、环境友好性、快速充电等特性。石墨烯具有良好的导电性,被视为一种优良的导电剂。添加了10%的石墨烯锂离子电池,其充放电性能均优于添加其他材料的电池。研究成果表明,石墨烯聚合材料电池的储电量是目前市场最好产品的三倍。用此电池提供电力的电动汽车能行驶超过1000公里,充电时间大大减少,充电次数可达3000次以上,电池的重量不足传统充电电池的一半。虽然目前这些数据还仅仅是处于实验室阶段,但为新能源汽车的大力发展和普及提供了可能。

但是,需要注意的是,石墨烯技术应用仍有几项重大困难(比如,工艺上来看,如何批量化地制备大面积、稳定性好、高质量的石墨烯就是一大难题);产业更新成本巨大,难以简单取代现有设备。除技术与成本外,石墨烯产业发展最大的瓶颈在于没有形成完整的、成熟的产业链上下游。据前瞻产业研究院发布的《2016—2021年中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》显示,石墨烯产业仍处于中游专利布局阶段,下游产业链尚未形成,即处于产业化初期,没有完全实现石墨烯的规模化应用,对石墨烯产品最大的需求市场仍然是科研院校和少量生产厂商,仍然是以初级低端应用为主。石墨烯研发制备企业和下游应用企业脱节。由于下游需求未起,大部分石墨烯企业目前仍无法找到稳定的商业模式和盈利模式。石墨烯作为“替代材料”还有很长的路要走。