刘兆平：石墨烯产业化仍待攻克制备与应用的关键共性技术

由江苏省石墨烯创新中心等单位主办的石墨烯产业技术创新论坛近日在南京召开。中科院宁波材料技术与工程研究所研究员、浙江省石墨烯制造业创新中心主任刘兆平做“石墨烯产业化制备及应用的挑战”主题报告。他说,石墨烯规模化低成本制备仍面临诸多挑战,石墨烯应用还有很多关键共性技术问题亟待解决,只有上下游协同创新突破瓶颈,才能真正发挥石墨烯在产业变革中的关键作用。

 石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电性最好的新型纳米材料,被誉为“黑金”。石墨烯以其优异的应用特性,有望掀起一场席卷全球的新技术新产业革命。

 石墨烯原材料主要有微片和薄膜两种形态。据刘兆平介绍,插层剥离法制备石墨烯,无氧化过程,石墨烯结构未被破坏,能够保持较高导电性,越来越成为工程化制备石墨烯的主流方法。

 “插层剥离法主要面临四大技术挑战。”刘兆平说,一是少层单片剥离较难,插层剥离法制备十层以内的石墨烯微片需要很高的工艺技巧;二是如何保证石墨烯浆料具备良好的分散性,通常认为流动性良好代表分散性出色;三是如何确保石墨烯粉体的分散性;四是如何实现绿色环保和低成本生产。只有突破这四个难点,才能真正推动石墨烯产业化应用。

 石墨烯粉体存在堆叠严重、产率低、极度蓬松、粉尘飞扬、极易吸潮等问题。刘兆平认为把石墨烯和高分子、其他纳米材料等复合,寻找两种材料之间匹配的尺度和特性形成复合粉体,可以有效解决石墨烯团聚堆叠和致密度的问题,并且便于分散复原。

 据刘兆平介绍,其团队采用插层剥离法已可批量制备平均厚度7层(2.4nm)的石墨烯,未来,插层剥离制备技术有望进一步突破,石墨烯厚度可从平均7层降低至平均3层(1nm)。“但降低厚度之后石墨烯分散问题怎么解决,其应用效果是否会有显著提升,仍待研究。”刘兆平说。

 在石墨烯薄膜制备上,CVD(化学气相沉积)法是当前主流方法。其中卷对卷连续CVD制备技术可实现石墨烯从单片到成卷制备,大幅提高制备效率和一致性。

 刘兆平说,日本索尼、韩国三星、麻省理工学院和密歇根大学都先后进行了卷对卷制备石墨烯薄膜的探索,但制备效率均不理想。其中主要的技术挑战是,如何让石墨烯在运动铜箔上快速生长、如何让大宽幅铜箔在接近融化状态下快速传送、如何把石墨烯快速无损转移到柔性基材及任意基材、如何实现石墨烯多层转移。

     刘兆平团队近年来着力攻克石墨烯卷对卷制备技术挑战,目前已建成年产百万平米石墨烯薄膜卷材中试生产线,可制备0.5米宽幅石墨烯薄膜,每分钟超过5米,一次成卷上1000米,成本低于ITO(氧化铟锡),可转移至聚酯、玻璃、陶瓷等多种基材,率先实现了石墨烯薄膜卷材低成本规模化制造。

 从石墨烯应用来看,石墨烯微片的导电、导热、阻隔等特性可广泛应用于电池、橡塑、涂料等行业,支撑传统行业转型升级;石墨烯薄膜的柔性、透明、导电等特性可用于柔性电子及传感器,推动变革性技术发展。

 刘兆平说,目前,石墨烯微片在新一代动力锂电池、石墨烯薄膜在电热膜应用上取得了初步成效,但石墨烯应用仍待突破诸多共性关键技术问题,如石墨烯微片的分散、复合,石墨烯薄膜的表面功能化、器件加工等。同时,质量和成本问题仍然是制约石墨烯产业化应用的瓶颈。

 “石墨烯技术创新和产业化,必须与相关应用行业深入融合。下游应用要提前切入石墨烯原材料生产过程,并以下游应用为主推动技术创新。同时,要进一步完善产学研用资协同创新的体制机制。”刘兆平说。

刘兆平,博士,研究员,博士生导师,入选中科院百人计划、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才。

1994-1998年,赣南师范学院化学与化工系,获理学学士学位;

1998-2001年,山东大学化学学院,获理学硕士学位;

2001-2004年,中国科学技术大学化学系,获理学博士学位;

2004-2007年,日本物质•材料研究机构(NIMS),博士后;

2007-2008年,美国纽约州立大学宾汉顿分校化学系,博士后;

2008-2015年,中科院宁波材料所,研究员;

2016年-至今,中科院宁波材料所,高级研究员。

   研究方向为石墨烯和动力锂离子电池及其材料技术。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.等著名学术期刊上发表论文120余篇,获他人引用近5000次;申请国家发明专利160余项,PCT专利6项;带领团队实现磷酸铁锂、石墨烯、锰酸锂等材料产业化技术和转移转化。主持承担了国家自然科学基金、中科院重点部署项目,中科院院地合作项目、宁波市科技创新团队项目以及企业合作等科技项目30余项。