石墨烯——下一個材料領(lǐng)域的顛覆者！

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作者：杜藝瑩路浩知識產(chǎn)權(quán)聯(lián)盟

來源：IPRdaily王夢婷

新材料新政力挺石墨烯

2015年10月，國家主席習(xí)近平對英國進(jìn)行了為期5日的國事訪問。在訪英的最后一日，習(xí)近平參觀了代表全世界石墨烯最領(lǐng)先研究水平的曼徹斯特大學(xué)國家石墨烯研究所，石墨烯研究一時間成為世界各界關(guān)注的焦點。

2015中國國際石墨烯創(chuàng)新大會透露，新材料將納入“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，而石墨烯正是新材料領(lǐng)域的重點發(fā)展對象?？茖W(xué)家認(rèn)為石墨烯有望引發(fā)新一輪電子工業(yè)革命，華為總裁任正非更是直言，“這個時代將來最大的顛覆，是石墨烯時代顛覆硅時代?！?/p>

神奇的石墨烯

“石墨烯對很多人來說就像愛麗絲仙境一樣，非常神奇”。石墨烯的發(fā)現(xiàn)者之一安德烈·海姆如此描述。那么，石墨烯究竟神奇在哪里？

石墨烯也稱為“單層石墨”，是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，其碳原子排列與石墨的單原子層雷同，是碳原子以sp2混成軌域呈蜂巢晶格排列構(gòu)成的單層二維晶體。石墨烯是迄今為止自然界最薄、強度最高的材料，具備極高的透光性和極大的比表面積，是目前已知室溫下最好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料。石墨烯優(yōu)異的性能使其在多個領(lǐng)域具備“顛覆”潛力，廣泛地應(yīng)用于電池電極材料、半導(dǎo)體器件、復(fù)合材料制備、透明顯示觸摸屏等方面。

石墨烯風(fēng)靡全球

石墨烯自誕生之日起就受到全球各界追捧，世界主要國家都高度重視開展石墨烯研究，期待它帶來巨大的價值。隨著石墨烯風(fēng)生水起的發(fā)展，相關(guān)專利申請量也迅猛增加。經(jīng)過檢索分析發(fā)現(xiàn)，全球石墨烯研究在近幾年迅猛發(fā)展。

中國在石墨烯領(lǐng)域的專利申請趨勢與全球申請趨勢類似，且申請量占有較大比重，可以看出中國在全球石墨烯技術(shù)研究中的重要地位。2005年以前，石墨烯相關(guān)技術(shù)研究熱度較低，專利申請量很少，2006年以后，尤其是2009年以后，專利申請量呈迅猛增長趨勢。這主要歸結(jié)于2004年英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·K·海姆教授和科斯佳·諾沃謝洛夫研究員首次制備出石墨烯，從此以后石墨烯因其奇特的性能引起了全世界科學(xué)家的廣泛關(guān)注和極大興趣，并隨之提出了大量專利申請。

石墨烯——下一個材料領(lǐng)域的顛覆者！

中國

中國在石墨烯研究領(lǐng)域申請的專利項占全球總數(shù)的50%以上，在該領(lǐng)域?qū)＠烤哂薪^對優(yōu)勢。目前，中國已經(jīng)形成了政府、科研機構(gòu)、研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的官產(chǎn)學(xué)研合作對接機制，對中國石墨烯的技術(shù)研究起了強大的推動作用。

在石墨烯的應(yīng)用上，中國也已經(jīng)獲得了重大的研究成果，研究方向主要集中在石墨烯電極等應(yīng)用領(lǐng)域。中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院成功制備出國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，可以作為透明電極的材料，并就該技術(shù)獲得了中國發(fā)明專利ZL201310269493.4，該項專利提供了一種石墨烯復(fù)合材料透明電極及其制備方法和應(yīng)用，能結(jié)合導(dǎo)電高分子和石墨烯二者的優(yōu)點，制成的石墨烯復(fù)合材料透明電極兼顧導(dǎo)電性、透光率及柔性的性能，該透明電極可以在制作觸摸屏、太陽能電池、有機發(fā)光二極管、液晶顯示屏、薄膜晶體管、柔性電子產(chǎn)品或可穿戴式電子產(chǎn)品中應(yīng)用。

中國寶安子公司貝特瑞是國內(nèi)最大的鋰電池負(fù)極材料生產(chǎn)商，一直致力于石墨烯在動力電池材料方面的應(yīng)用研究，在石墨烯應(yīng)用到鋰電池電極的制備中獲得多項專利證書，例如其提交的CN201410057250.9號專利申請，公開了一種石墨烯基復(fù)合負(fù)極材料的制備方法及制得的負(fù)極材料和鋰離子電池，用該方法制得的負(fù)極材料包括石墨和均勻分布于石墨相中的納米石墨烯片層結(jié)構(gòu)，兩相緊密接觸，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高比容量、高電導(dǎo)率、高倍率性能、優(yōu)異的吸液性能和循環(huán)性能。其研制的石墨烯產(chǎn)品目前已小量試產(chǎn)，若能大量應(yīng)用到負(fù)極材料中，將極大提升其性能，對國內(nèi)鋰電池發(fā)展起到強大的推動作用。

韓國

韓國非常注重石墨烯領(lǐng)域的專利布局和保護(hù)，專利申請量居全球第二，約占全球的14%左右，遠(yuǎn)高于歐洲其他國家。近年來，韓國政府積極推動本國石墨烯技術(shù)研發(fā)及商業(yè)化應(yīng)用研究，預(yù)計2012至2018年間將在石墨烯領(lǐng)域投入2.5億美元。

韓國企業(yè)三星電子在石墨烯領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，在石墨烯改革場效應(yīng)晶體管方面貢獻(xiàn)突出。三星擁有有關(guān)石墨烯晶體管的工作方式和結(jié)構(gòu)等方面的多項核心專利，同時在世界多個國家進(jìn)行了專利布局，例如，在我國提交了申請?zhí)枮镃N201310073946.6、CN201210425342.9和CN201310221610.X的專利申請，提出將石墨烯作為溝道來制作石墨烯晶體管，可以應(yīng)用于各種電子裝置，諸如用于高頻的射頻（RF）裝置、顯示器等，可進(jìn)一步推動靈活顯示設(shè)備、可穿戴設(shè)備以及其他下一代電子產(chǎn)品的發(fā)展。

美國

美國作為科技強國，在石墨烯領(lǐng)域的專利申請量位居世界第三位，約占全球的6%左右。對石墨烯的研究投入開始較早，投入力度也相對較大。

美國良好的創(chuàng)業(yè)環(huán)境和巨大的資金投入，使得石墨烯產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進(jìn)程相對較快，其中，在石墨烯脫鹽技術(shù)方面貢獻(xiàn)突出。洛克希德馬丁公司嘗試用石墨烯來淡化海水，其申請的名稱為“METHODS FOR PERFORATING GRAPHENE USING AN ACTIVATEDGAS STREAM AND PERFORATED GRAPHENE PRODUCED THEREFROM”的專利US20130249147A1，提供了具有孔的石墨烯片，由于為人工打孔，孔大小可以優(yōu)化設(shè)計并且尺寸一致，允許特定納米尺寸的組分通過，同時阻止其他組分。洛克希德馬丁公司已就該技術(shù)在包括中國、韓國、日本、印度、加拿大、澳大利亞、歐洲專利局及世界知識產(chǎn)權(quán)組織在內(nèi)的8個國家/地區(qū)申請了專利保護(hù)。相比脫鹽工廠目前使用的“反滲透”的聚合膜脫鹽技術(shù)，石墨烯脫鹽技術(shù)成本低、產(chǎn)量大，這種石墨烯膜還可應(yīng)用于污水處理和家用凈水器，為社會帶來了便捷。

日本

日本石墨烯相關(guān)專利申請約占全球的6%左右，申請量僅次于美國。日本從2007年起就開始重視石墨烯的開發(fā)。2007年日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)資助了石墨烯材料和器件的技術(shù)開發(fā)項目，主要開發(fā)“石墨烯/硅材料”工藝技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)先進(jìn)的輔助開關(guān)器件和等離子共振赫茲器件。經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省2011年投入了9億日元實施超輕、高輕度創(chuàng)新融合材料項目，重點研究碳納米管和石墨烯的批量合成技術(shù)，研究期為2011年-2016年。

日本是世界碳材料產(chǎn)業(yè)最發(fā)達(dá)的國家之一，在碳材料導(dǎo)電領(lǐng)域貢獻(xiàn)突出。研究證明，利用碳物質(zhì)獲得的導(dǎo)電材料具有高撓性和高機械強度，能夠顯著地降低稀有金屬或類似物質(zhì)的使用量。此外，這些導(dǎo)電材料具有化學(xué)穩(wěn)定性，因此，這些導(dǎo)電材料作為有前途的導(dǎo)電材料獲得了重視。東芝(Toshiba)作為日本最大的半導(dǎo)體制造商，在碳材料導(dǎo)電領(lǐng)域具有顯著的研究成果。其中，專利JP2015176725A提供了透明導(dǎo)體的制作方法，將銀納米線的高導(dǎo)電性和石墨烯的出色阻隔性能相結(jié)合，制作出來的透明導(dǎo)體具有較好的表面平坦度，實現(xiàn)了透明導(dǎo)體的高導(dǎo)電性和高耐久性。東芝就該技術(shù)在全球包括中國、美國和歐洲在內(nèi)的3個國家/地區(qū)進(jìn)行了專利布局，可見東芝公司將以上國家和地區(qū)列為未來的產(chǎn)品市場地。

英國

英國是石墨烯的“誕生地”，但是其相關(guān)專利申請量僅占全球的1%左右，相關(guān)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化落后于一些亞洲國家。近幾年英國加大了對石墨烯領(lǐng)域的重視程度和投入力度，繼英國在曼徹斯特大學(xué)建立國家石墨烯研究所后，2014年，英國政府聯(lián)合馬斯達(dá)爾公司繼續(xù)投資6000萬英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補充，加速石墨烯的應(yīng)用研究和開發(fā)。

曼徹斯特大學(xué)作為全世界最領(lǐng)先石墨烯研究水平的代表，其專利申請的重點，一是瞄準(zhǔn)可能是“最有用”的領(lǐng)域，例如可升級的制造技術(shù)，二是尋找極少數(shù)與石墨烯應(yīng)用相關(guān)的專利，如石墨烯-聚合物復(fù)合材料和氟代石墨烯，其提交的WO2012120264專利申請，披露了通過將處于溶劑中的烷基銨陽離子電化學(xué)插入石墨中來生產(chǎn)石墨烯的方法，并就該技術(shù)在全球包括中國、日本、美國、韓國和歐洲在內(nèi)的5個國家和地區(qū)進(jìn)行了專利布局。另一件專利申請WO2011086391提供了石墨烯聚合物復(fù)合材料的制備方法，這種復(fù)合材料具有制造在諸如建筑物、船舶和飛機的結(jié)構(gòu)上的大面積應(yīng)變傳感器的用途，進(jìn)行全球包括中國、日本、韓國、美國、西班牙和歐洲在內(nèi)的6個國家和地區(qū)的專利布局。由此可見，曼徹斯特大學(xué)更加注重石墨烯及其復(fù)合材料的制備，英國石墨烯的產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。

石墨烯電極成研究熱門

國際專利分類號（IPC）包含了專利的技術(shù)信息，通過對石墨烯相關(guān)專利進(jìn)行IPC統(tǒng)計分析，可以看出，石墨烯專利技術(shù)主要集中于石墨烯的制備，分類號為C01B31，其次是石墨烯在電極制備上的應(yīng)用，分類號為H01M4。由此可見，除了對石墨烯本身制備的研究外，其應(yīng)用研究涉及最多的是用作電池電極材料。

石墨烯——下一個材料領(lǐng)域的顛覆者！

由于石墨烯具有良好的導(dǎo)電性能和倍率性能，將其應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料中，可以大幅度提高負(fù)極材料的電容量和大倍率充放電性能，是一種理想的電極材料。石墨烯還可以用于改性其他非碳基負(fù)極材料，目前研究的主要以錫基、硅基以及過渡金屬類為主的鋰離子電池非碳基負(fù)極材料，其缺點是在嵌鋰/脫鋰過程中體積膨脹收縮變化明顯，石墨烯摻雜改性后的復(fù)合材料能改善這兩種材料單獨使用時的缺點。此外，石墨烯在鋰電池正極材料改性及導(dǎo)電添加劑方面也有應(yīng)用，石墨烯的高比表面積及其優(yōu)異的電子傳輸能力，能有效改善正極材料的導(dǎo)電性能，提高鋰離子的擴散傳輸能力。又因為一直以來，智能手機等終端發(fā)展迅速，但其續(xù)航能力始終是最大短板，石墨烯用作電池的電極可以大大縮短終端的充電時間，這推動了石墨烯在電極領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

上述分析表明石墨烯具有很好的應(yīng)用前景和極大的想象空間，如果科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)開發(fā)相結(jié)合，推動石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和發(fā)展，未來幾年內(nèi)石墨烯將會實現(xiàn)令人驚奇的應(yīng)用。

作者：杜藝瑩路浩知識產(chǎn)權(quán)聯(lián)盟

來源：IPRdaily王夢婷

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