石墨烯（Graphene）材料具備優(yōu)異的導(dǎo)電性、出色的機(jī)械性能、極高的導(dǎo)熱性、超大比表面積、極佳的阻隔性能，在鋰電池導(dǎo)電漿料、涂料涂層、導(dǎo)熱膜、柔性顯示以及傳感器方面都有應(yīng)用，被稱為“新材料之王”。

結(jié)合電子行業(yè)的應(yīng)用我們來(lái)看看石墨烯是否綠色（環(huán)保）？適用范圍又有哪些？

石墨烯是否綠色？

圖源|Digital Trends

綠色驅(qū)動(dòng)因素和ESG投資（E（environmental）、S（social）、G（governance）三個(gè)維度）顯然是整個(gè)供應(yīng)鏈的焦點(diǎn)。根據(jù)最新研究報(bào)告“石墨烯市場(chǎng)和2D材料評(píng)估2023-2033”的評(píng)估，目前石墨烯產(chǎn)能已超過(guò)12000 tpa（萬(wàn)噸/年）。幾乎所有這些都來(lái)自石墨原料，并采用自上而下的方法，其中液相剝離法和氧化還原占主導(dǎo)地位?？紤]到能源效率、水需求和所用化學(xué)品，每種工藝都會(huì)產(chǎn)生不同的環(huán)境影響，為此，不太可能將石墨烯稱為“綠色材料”。

盡管對(duì)石墨烯的綠色認(rèn)證仍有一些爭(zhēng)議。但還要看以下三個(gè)方面。

首先，與現(xiàn)有添加劑相比，石墨烯占地面積更小，負(fù)荷更低。一些公司聲稱，相對(duì)于石油化工中使用的碳黑等，石墨烯每噸二氧化碳排放量較低，性能卻更高，帶來(lái)的環(huán)境負(fù)載更低。

其次，石墨烯可以使用替代原料生產(chǎn)，幾家公司開(kāi)始利用廢物、副產(chǎn)品或可再生材料，這已是一個(gè)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在一些情況下，石墨烯可以與氫氣生產(chǎn)相結(jié)合。在推廣綠色解決方案時(shí)，這無(wú)疑是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。

三是石墨烯的可持續(xù)性，這是許多行業(yè)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。最明顯的是，鋰離子電池（LiB）是蓬勃發(fā)展的儲(chǔ)能市場(chǎng)的主要組成部分。迄今為止，石墨烯在該領(lǐng)域發(fā)揮的作用最小，但在硅陽(yáng)極得到大量采用的情況下，石墨烯正在證明自己是一種潛在的賦能解決方案。石墨烯還活躍于許多其他儲(chǔ)能領(lǐng)域，包括Li-S（鋰硫）（艱難的技術(shù)）、鉛酸電池（有限的增長(zhǎng)）、鋁離子（早期階段）和超級(jí)電容器（成長(zhǎng)中的利基市場(chǎng)）。

石墨烯還有其他幾種環(huán)保驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，包括過(guò)濾膜、可持續(xù)電子產(chǎn)品和替代有毒添加劑。在石墨烯商業(yè)化的各個(gè)階段，每個(gè)市場(chǎng)的前景都是不同的。

綜上所述，石墨烯是否是綠色的答案更為微妙。

石墨烯的市場(chǎng)應(yīng)用評(píng)估

有18個(gè)以上關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，數(shù)百家公司從事相關(guān)業(yè)務(wù)，其中包括60多家關(guān)鍵企業(yè)，已經(jīng)有超過(guò)20年的技術(shù)研究。這些材料的許多最終用途市場(chǎng)包括儲(chǔ)能、復(fù)合材料、導(dǎo)電油墨、柔性電子產(chǎn)品等。

每種應(yīng)用都有不同的多功能要求，因此不存在“最佳石墨烯”，最終用戶現(xiàn)在承認(rèn)，由于最終應(yīng)用水平的結(jié)果受石墨烯形態(tài)和純度等許多參數(shù)的影響，因此無(wú)法預(yù)先確定制勝材料。

先進(jìn)材料往往受到材料推動(dòng)而非市場(chǎng)拉動(dòng)的影響，市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素包括改進(jìn)電子產(chǎn)品的熱管理、可持續(xù)性、輕量化、產(chǎn)品壽命等必要性。

石墨烯薄膜和晶片通常通過(guò)CVD工藝生長(zhǎng)，有非常不同的歷史和前景。鑒于明顯潛力，晶體管和TCF（透明導(dǎo)電薄膜）被廣為看好，隨著制造業(yè)的改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展，傳感器和光電應(yīng)用在商業(yè)上取得了成功，未來(lái)10年對(duì)于某些關(guān)鍵終端用戶市場(chǎng)來(lái)說(shuō)前景樂(lè)觀。

石墨烯透明導(dǎo)電薄膜

石墨烯的神奇之處

石墨烯是一種以蜂窩狀晶格排列的2D碳納米材料，鑒于理論性能，它通常被稱為“神奇材料”，包括：

高強(qiáng)度和剛度（楊氏模量為1.3 TPa）

高導(dǎo)熱性（5300 W/mK）

低電阻率（10-6Ω.cm）和高電子遷移率

透明（吸收2.3%的可見(jiàn)光到紅外光）

大比表面積（2630 m2/g），理想情況下厚度約為0.345nm（一個(gè)原子層）的純sp2鍵合碳。然而，根據(jù)所使用的制造工藝，商業(yè)實(shí)現(xiàn)有很大不同。

石墨烯可以通過(guò)“自上而下”（從石墨中剝離）或“自下而上”的生長(zhǎng)過(guò)程生產(chǎn)。

2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)首次分離了石墨烯，2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。研究和開(kāi)發(fā)周期在延長(zhǎng)，商業(yè)化的發(fā)展才剛剛開(kāi)始。

石墨烯的材料等級(jí)和形式如下圖所示。

石墨烯有更多分類(lèi)，在許多情況下，它更像是一個(gè)光譜

信源 | IDTechEx

石墨烯的典型應(yīng)用

事實(shí)上，說(shuō)石墨烯不綠色并不確切，智能手機(jī)的散熱管理就是一個(gè)典型應(yīng)用。熱管理應(yīng)用是石墨烯應(yīng)用的早期關(guān)鍵領(lǐng)域，市場(chǎng)對(duì)高性能散熱片的需求越來(lái)越大，石墨烯的性能和形態(tài)也非常適合。

隨著人們對(duì)性能的要求越來(lái)越高，這一點(diǎn)在主流智能手機(jī)中受到了越來(lái)越多的關(guān)注。這與用作局部散熱片、較大的散熱片或替代蒸汽散熱室不同，小米、華為、Oppo、中興、Vivo都有嘗試。

2021年7月，中興通訊推出了Axon 30，該產(chǎn)品在其“三重冰冷卻系統(tǒng)”中使用了石墨烯，系統(tǒng)由蒸汽室冷卻板、熱凝膠和石墨烯-科伯復(fù)合材料組成。

2022年1月，Realme（真我）發(fā)布了新的GT 2系列，該系列使用石墨烯片冷卻技術(shù)（稱為3D多層石墨烯）和蒸汽室。

PBK Review拆解中興Axon 30，石墨烯銅冷卻顯示在右側(cè)

圖源 | PBK Reviews

良好的散熱性，表面積11588mm2，最新1232mm2石墨烯散熱片，重量減輕50%

華為持股公司

2011成立的常州第六元素材料（Sixth Element）是一家粉體石墨烯研發(fā)商，2021年首次盈利，而常州富烯科技股份有限公司是由第六元素、江蘇華威世紀(jì)電子集團(tuán)有限公司共同投資建立的股份制企業(yè)，華為旗下的哈勃投資持股10%的富烯科技，該公司成立于2014年，主要從事用于散熱片的石墨烯導(dǎo)熱膜和石墨烯導(dǎo)熱塊的生產(chǎn)。

華為Mate 20 X手機(jī)采用的石墨烯薄膜冷卻技術(shù)進(jìn)行熱管理，生產(chǎn)商就是富烯科技。

也許石墨烯最重要的是汽車(chē)行業(yè)的角色。目前使用最廣泛的透明導(dǎo)電材料是氧化銦錫（ITO），但是貴金屬銦的有限儲(chǔ)備和ITO的脆性阻礙了其在柔性電子器件中的應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展，開(kāi)發(fā)替代ITO的新型透明導(dǎo)電材料成為柔性電子器件發(fā)展的首要任務(wù)。

石墨烯具有超高的電子電導(dǎo)率、理想的電容儲(chǔ)能和對(duì)光透明的特性，同時(shí)柔性可折疊，在構(gòu)筑高性能透明導(dǎo)電薄膜和柔性透明超級(jí)電容方面等方面具有很大潛力，可用于汽車(chē)智能表面，如車(chē)載觸控屏應(yīng)用。