石墨烯——下一個材料領域的顛覆者！

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石墨烯——下一個材料領域的顛覆者！

作者：杜藝瑩路浩知識產(chǎn)權聯(lián)盟

來源：IPRdaily王夢婷

新材料新政力挺石墨烯

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

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域的重點發(fā)展對象。科學家認為石墨烯有望引發(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電和導熱材料。石墨烯優(yōu)異的性能使其在多個領域具備“顛覆”潛力，廣泛地應用于電池電極材料、半導體器件、復合材料制備、透明顯示觸摸屏等方面。

石墨烯風靡全球

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。隨著石墨烯風生水起的發(fā)展，相關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研究中的重要地位。2005年以前，石墨烯相關技術研究熱度較低，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。這主要歸結于2004年英國曼徹斯特大學安德烈·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家的廣泛關注和極大興趣，并隨之提出了大量專利申請。

石墨烯——下一個材料領域的顛覆者！

中國

中國在石墨烯研究領域申請的專利項占全球總數(shù)的50%以上，在該領域專利量具有絕對優(yōu)勢。目前，中國已經(jīng)形成了政府、科研機構、研發(fā)和應用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的官產(chǎn)學研合作對接機制，對中國石墨烯的技術研究起了強大的推動作用。

在石墨烯的應用上，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用領域。中科院重慶綠色智能技術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合材料透明電極及其制備方法和應用，能結合導電高分子和石墨烯二者的優(yōu)點，制成的石墨烯復合材料透明電極兼顧導電性、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)品中應用。

中國寶安子公司貝特瑞是國內(nèi)最大的鋰電池負極材料生產(chǎn)商，一直致力于石墨烯在動力電池材料方面的應用研究，在石墨烯應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合負極材料的制備方法及制得的負極材料和鋰離子電池，用該方法制得的負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構，兩相緊密接觸，具有結構穩(wěn)定、高比容量、高電導率、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)，若能大量應用到負極材料中，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域的專利布局和保護，專利申請量居全球第二，約占全球的14%左右，遠高于歐洲其他國家。近年來，韓國政府積極推動本國石墨烯技術研發(fā)及商業(yè)化應用研究，預計2012至2018年間將在石墨烯領域投入2.5億美元。

韓國企業(yè)三星電子在石墨烯領域處于領先地位，在石墨烯改革場效應晶體管方面貢獻突出。三星擁有有關石墨烯晶體管的工作方式和結構等方面的多項核心專利，同時在世界多個國家進行了專利布局，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，可進一步推動靈活顯示設備、可穿戴設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)化和應用進程相對較快，其中，在石墨烯脫鹽技術方面貢獻突出。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)權組織在內(nèi)的8個國家/地區(qū)申請了專利保護。相比脫鹽工廠目前使用的“反滲透”的聚合膜脫鹽技術，石墨烯脫鹽技術成本低、產(chǎn)量大，這種石墨烯膜還可應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年日本科學技術振興機構資助了石墨烯材料和器件的技術開發(fā)項目，主要開發(fā)“石墨烯/硅材料”工藝技術，并在此基礎上開發(fā)先進的輔助開關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，研究期為2011年-2016年。

日本是世界碳材料產(chǎn)業(yè)最發(fā)達的國家之一，在碳材料導電領域貢獻突出。研究證明，利用碳物質獲得的導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的使用量。此外，這些導電材料具有化學穩(wěn)定性，因此，這些導電材料作為有前途的導電材料獲得了重視。東芝(Toshiba)作為日本最大的半導體制造商，在碳材料導電領域具有顯著的研究成果。其中，專利JP2015176725A提供了透明導體的制作方法，將銀納米線的高導電性和石墨烯的出色阻隔性能相結合，制作出來的透明導體具有較好的表面平坦度，實現(xiàn)了透明導體的高導電性和高耐久性。東芝就該技術在全球包括中國、美國和歐洲在內(nèi)的3個國家/地區(qū)進行了專利布局，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”，但是其相關專利申請量僅占全球的1%左右，相關研發(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域的重視程度和投入力度，繼英國在曼徹斯特大學建立國家石墨烯研究所后，2014年，英國政府聯(lián)合馬斯達爾公司繼續(xù)投資6000萬英鎊在曼徹斯特大學成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補充，加速石墨烯的應用研究和開發(fā)。

曼徹斯特大學作為全世界最領先石墨烯研究水平的代表，其專利申請的重點，一是瞄準可能是“最有用”的領域，例如可升級的制造技術，二是尋找極少數(shù)與石墨烯應用相關的專利，如石墨烯-聚合物復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插入石墨中來生產(chǎn)石墨烯的方法，并就該技術在全球包括中國、日本、美國、韓國和歐洲在內(nèi)的5個國家和地區(qū)進行了專利布局。另一件專利申請WO2011086391提供了石墨烯聚合物復合材料的制備方法，這種復合材料具有制造在諸如建筑物、船舶和飛機的結構上的大面積應變傳感器的用途，進行全球包括中國、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，曼徹斯特大學更加注重石墨烯及其復合材料的制備，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）包含了專利的技術信息，通過對石墨烯相關專利進行IPC統(tǒng)計分析，可以看出，石墨烯專利技術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——下一個材料領域的顛覆者！

由于石墨烯具有良好的導電性能和倍率性能，將其應用于鋰離子電池負極材料中，可以大幅度提高負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電添加劑方面也有應用，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域的應用研究。

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

作者：杜藝瑩路浩知識產(chǎn)權聯(lián)盟

來源：IPRdaily王夢婷

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石墨烯——下一個材料領域的顛覆者！