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基于國際一流石墨烯綠色量產技術 打造中部 千億級石墨烯產業集群

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2018/09/28 11:21
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【摘要】:
一、發展現狀  1.技術背景  雖然世界范圍內均投入大量人力物力發展石墨烯應用技術,但尚缺乏實質性產業技術突破,其根本原因是缺乏優質石墨烯的量產制備技術,就應用體量最大的粉體材料來說,市場上的石墨烯材料缺陷率太高,本質上與“炭黑”相當,嚴重制約了其在包括化學儲能、新能源汽車、先進功能材料及器件等領域的應用技術開拓,是其產業化推廣的關鍵瓶頸?! ♂槍ΜF有石墨烯技術存在“三高一低”(高污染、高缺陷率、

  一、 發展現狀

  1. 技術背景

  雖然世界范圍內均投入大量人力物力發展石墨烯應用技術,但尚缺乏實質性產業技術突破,其根本原因是缺乏優質石墨烯的量產制備技術,就應用體量最大的粉體材料來說,市場上的石墨烯材料缺陷率太高,本質上與“炭黑”相當,嚴重制約了其在包括化學儲能、新能源汽車、先進功能材料及器件等領域的應用技術開拓,是其產業化推廣的關鍵瓶頸。

  針對現有石墨烯技術存在“三高一低”(高污染、高缺陷率、高成本、低產能)的技術瓶頸:美國為主導的氧化還原法的“高污染、高缺陷率”,英國劍橋等離子體法的“高成本、低產率”問題;鄭州新世紀材料基因組工程研究院(ZMGI)邵國勝教授團隊發明了低成本、全流程綠色制備高品質石墨烯粉體的技術,目前已經申請國家及國際發明專利。該技術已經完成中試,并完成了產業化生產線設備的設計、定制。

  2. 技術檢測及核心應用示范

  目前碳材料的最可靠表征手段為拉曼分析。通過ZMGI石墨烯與國際主流石墨烯粉體產品的拉曼譜對比分析可見:以美國為代表的氧化還原法產品具有極高的缺陷率(D峰極高),并且石墨烯的指紋識別峰(2D峰)缺失,材料學本質上與“炭黑”相當(參見英文維基百科);英國為代表的等離子體法獲得的石墨烯粉體盡管具有2D峰,但G峰位移方向與納米碳管一致,本質上是材料學上的“碳納米角”,且成本很高,產率極低。于此相對照,ZMGI石墨烯產品D峰強度與優質石墨相當,缺陷率極低,具有明顯對稱的指紋識別峰(2D峰),2D峰與G峰相向位移16 cm-1,與單層石墨烯一致,是國際獨有的優質石墨烯粉體量產技術。

  鄭州新世紀材料基因組工程研究院在完成石墨烯中試的基礎上,將ZMGI石墨烯在新能源(鋰電池、超級電容)等核心領域進行了應用示范。

  案例一

  將本研究院(ZMGI)的石墨烯粉體直接用于鋰離子電池負極,展現出非常高的電化學容量和循環保持率。通過電池性能測試發現,在0.1C倍率的充放電電流密度下,石墨烯的首周放電容量高達1026.8mAh/g,可逆容量為599.8 mAh/g,后續測試發現200周后放電容量保持在500mAh/g以上,且倍率性能優異。商業化應用石墨負極容量300 mAh/g左右。本院優質石墨烯容量約為商用電極的兩倍, 與合適正極匹配,將使得鋰電池技術擴容到現有最好商業電池的3-4倍。

  案例二

  將ZMGI石墨烯粉體與硫簡單機械混合,即可顯著改善鋰硫電池正極的電化學性能。首周放電容量達到1008.6mAh/g,在0.5C的充放電電流密度下,1000周循環后容量為380.6mAh/g,容量遠超最優商用正極材料兩倍以上。此外,電池的倍率放電性能也十分優異。本院的石墨烯改性鋰硫電池制備工藝十分簡單,完全與傳統商業化鋰電的制備流程相兼容,成本低、比容(能)高,易于推廣應用,用于動力電池系統,將徹底解決電池續航里程的關鍵瓶頸。

  3. 目前產業化進程

  2017年3月3日,中興發展與鄭州新世紀材料基因組工程研究院有限公司在鄭州正式簽訂合作協議,推動石墨烯產業化及手機電池的應用。

  2017年4月23日,滎陽市城市投資開發有限責任公司與鄭州新世紀材料基因組工程研究院有限公司在中原智谷正式簽署石墨烯技術合作項目協議。

  2017年9月12日,鄭州新材科技有限公司注冊成立,石墨烯生產基地開工建設。計劃通過“院-企”合作,建立完善配套生產裝備系統,實現高效率、低能耗宏量制備。

  二、未來規劃

  2017至2020三年內,按照我省鄭洛新國家自主創新示范區的定位,依托ZMGI國際領先的石墨烯制備技術,以鄭州(滎陽)為基地,建成石墨烯科技產業園,打造基于石墨烯全產業鏈的集聚區,形成千億級石墨烯技術產業集群。

  第一年:完成示范50噸年產能的生產線建設。完善工藝規程,為石墨烯科技產業園提供整套技術方案。同時,啟動石墨烯應用創新平臺和石墨烯科技產業園的建設。

  第二年:完成石墨烯應用創新平臺的建設。依托我省傳統優勢產業和龍頭企業,大力推動“石墨烯+”,重點發展石墨烯電池、石墨烯散熱器、功能塑料、防水透氣紡織用品、防腐涂料、海水淡化系統等下游應用,提升傳統產業發展質量和效益;結合國家“軍民融合”發展戰略,重點推動石墨烯在國防涂料、艦載飛機潤滑油和多功能抗干擾減震材料等軍事應用;推進石墨烯在帶動效應大的高端裝備制造、移動互聯網、集成電路、生物醫藥等新興產業領域的應用,通過技術創新、產品創新和模式創新,促進新興產業發展。

  第三年:完成石墨烯科技產業園的建設。2020年裝機4條百噸級石墨烯生產線,實現年銷售收入200億,帶動形成產值超2000億的產業鏈體系。

  三、政府扶持

  結合我省石墨烯技術研發及產業發展現狀,提出以下建議:

  ? 成立石墨烯產業發展基金(20億),扶持石墨烯產業化及技術推廣。

  ? 以鄭州新世紀材料基因組工程研究院為基地,成立省級重點石墨烯技術創新平臺,自籌經費8000萬元,政府配套扶持8000萬元。

  ? 以滎陽(鄭州)為基地建立石墨烯科技產業園,核心園區土地60畝,預留用地200畝。自籌經費10億元,政府通過石墨烯產業發展基金提供產業扶持10億元。

  ? 以石墨烯科技產業園為基地,建立河南省石墨烯技術產業聯盟,形成千億級石墨烯技術產業集群,打造國際領先的石墨烯技術產業高地。

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