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基于国际一流石墨烯绿色量产技术 打造中部 千亿级石墨烯产业集群

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2018/09/28 11:21
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【摘要】:
一、发展现状  1.技术背景  虽然世界范围内均投入大量人力物力发展石墨烯应用技术,但尚缺乏实质性产业技术突破,其根本原因是缺乏优质石墨烯的量产制备技术,就应用体量最大的粉体材料来说,市场上的石墨烯材料缺陷率太高,本质上与“炭黑”相当,严重制约了其在包括化学储能、新能源汽车、先进功能材料及器件等领域的应用技术开拓,是其产业化推广的关键瓶颈。  针对现有石墨烯技术存在“三高一低”(高污染、高缺陷率、

  一、 发展现状

  1. 技术背景

  虽然世界范围内均投入大量人力物力发展石墨烯应用技术,但尚缺乏实质性产业技术突破,其根本原因是缺乏优质石墨烯的量产制备技术,就应用体量最大的粉体材料来说,市场上的石墨烯材料缺陷率太高,本质上与“炭黑”相当,严重制约了其在包括化学储能、新能源汽车、先进功能材料及器件等领域的应用技术开拓,是其产业化推广的关键瓶颈。

  针对现有石墨烯技术存在“三高一低”(高污染、高缺陷率、高成本、低产能)的技术瓶颈:美国为主导的氧化还原法的“高污染、高缺陷率”,英国剑桥等离子体法的“高成本、低产率”问题;郑州新世纪材料基因组工程研究院(ZMGI)邵国胜教授团队发明了低成本、全流程绿色制备高品质石墨烯粉体的技术,目前已经申请国家及国际发明专利。该技术已经完成中试,并完成了产业化生产线设备的设计、定制。

  2. 技术检测及核心应用示范

  目前碳材料的最可靠表征手段为拉曼分析。通过ZMGI石墨烯与国际主流石墨烯粉体产品的拉曼谱对比分析可见:以美国为代表的氧化还原法产品具有极高的缺陷率(D峰极高),并且石墨烯的指纹识别峰(2D峰)缺失,材料学本质上与“炭黑”相当(参见英文维基百科);英国为代表的等离子体法获得的石墨烯粉体尽管具有2D峰,但G峰位移方向与纳米碳管一致,本质上是材料学上的“碳纳米角”,且成本很高,产率极低。于此相对照,ZMGI石墨烯产品D峰强度与优质石墨相当,缺陷率极低,具有明显对称的指纹识别峰(2D峰),2D峰与G峰相向位移16 cm-1,与单层石墨烯一致,是国际独有的优质石墨烯粉体量产技术。

  郑州新世纪材料基因组工程研究院在完成石墨烯中试的基础上,将ZMGI石墨烯在新能源(锂电池、超级电容)等核心领域进行了应用示范。

  案例一

  将本研究院(ZMGI)的石墨烯粉体直接用于锂离子电池负极,展现出非常高的电化学容量和循环保持率。通过电池性能测试发现,在0.1C倍率的充放电电流密度下,石墨烯的首周放电容量高达1026.8mAh/g,可逆容量为599.8 mAh/g,后续测试发现200周后放电容量保持在500mAh/g以上,且倍率性能优异。商业化应用石墨负极容量300 mAh/g左右。本院优质石墨烯容量约为商用电极的两倍, 与合适正极匹配,将使得锂电池技术扩容到现有最好商业电池的3-4倍。

  案例二

  将ZMGI石墨烯粉体与硫简单机械混合,即可显著改善锂硫电池正极的电化学性能。首周放电容量达到1008.6mAh/g,在0.5C的充放电电流密度下,1000周循环后容量为380.6mAh/g,容量远超最优商用正极材料两倍以上。此外,电池的倍率放电性能也十分优异。本院的石墨烯改性锂硫电池制备工艺十分简单,完全与传统商业化锂电的制备流程相兼容,成本低、比容(能)高,易于推广应用,用于动力电池系统,将彻底解决电池续航里程的关键瓶颈。

  3. 目前产业化进程

  2017年3月3日,中兴发展与郑州新世纪材料基因组工程研究院有限公司在郑州正式签订合作协议,推动石墨烯产业化及手机电池的应用。

  2017年4月23日,荥阳市城市投资开发有限责任公司与郑州新世纪材料基因组工程研究院有限公司在中原智谷正式签署石墨烯技术合作项目协议。

  2017年9月12日,郑州新材科技有限公司注册成立,石墨烯生产基地开工建设。计划通过“院-企”合作,建立完善配套生产装备系统,实现高效率、低能耗宏量制备。

  二、未来规划

  2017至2020三年内,按照我省郑洛新国家自主创新示范区的定位,依托ZMGI国际领先的石墨烯制备技术,以郑州(荥阳)为基地,建成石墨烯科技产业园,打造基于石墨烯全产业链的集聚区,形成千亿级石墨烯技术产业集群。

  第一年:完成示范50吨年产能的生产线建设。完善工艺规程,为石墨烯科技产业园提供整套技术方案。同时,启动石墨烯应用创新平台和石墨烯科技产业园的建设。

  第二年:完成石墨烯应用创新平台的建设。依托我省传统优势产业和龙头企业,大力推动“石墨烯+”,重点发展石墨烯电池、石墨烯散热器、功能塑料、防水透气纺织用品、防腐涂料、海水淡化系统等下游应用,提升传统产业发展质量和效益;结合国家“军民融合”发展战略,重点推动石墨烯在国防涂料、舰载飞机润滑油和多功能抗干扰减震材料等军事应用;推进石墨烯在带动效应大的高端装备制造、移动互联网、集成电路、生物医药等新兴产业领域的应用,通过技术创新、产品创新和模式创新,促进新兴产业发展。

  第三年:完成石墨烯科技产业园的建设。2020年装机4条百吨级石墨烯生产线,实现年销售收入200亿,带动形成产值超2000亿的产业链体系。

  三、政府扶持

  结合我省石墨烯技术研发及产业发展现状,提出以下建议:

  Ø 成立石墨烯产业发展基金(20亿),扶持石墨烯产业化及技术推广。

  Ø 以郑州新世纪材料基因组工程研究院为基地,成立省级重点石墨烯技术创新平台,自筹经费8000万元,政府配套扶持8000万元。

  Ø 以荥阳(郑州)为基地建立石墨烯科技产业园,核心园区土地60亩,预留用地200亩。自筹经费10亿元,政府通过石墨烯产业发展基金提供产业扶持10亿元。

  Ø 以石墨烯科技产业园为基地,建立河南省石墨烯技术产业联盟,形成千亿级石墨烯技术产业集群,打造国际领先的石墨烯技术产业高地。