华为投资的“神奇材料”有什么用?

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石墨烯(Graphene)材料具备优异的导电性、出色的机械性能、极高的导热性、超大比表面积、极佳的阻隔性能,在锂电池导电浆料、涂料涂层、导热膜、柔性显示以及传感器方面都有应用,被称为“新材料之王”。

结合电子行业的应用我们来看看石墨烯是否绿色(环保)?适用范围又有哪些?

石墨烯是否绿色?

 

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图源|Digital Trends

绿色驱动因素和ESG投资(E(environmental)、S(social)、G(governance)三个维度)显然是整个供应链的焦点。根据最新研究报告“石墨烯市场和2D材料评估2023-2033”的评估,目前石墨烯产能已超过12000 tpa(万吨/年)。几乎所有这些都来自石墨原料,并采用自上而下的方法,其中液相剥离法和氧化还原占主导地位。考虑到能源效率、水需求和所用化学品,每种工艺都会产生不同的环境影响,为此,不太可能将石墨烯称为“绿色材料”。

尽管对石墨烯的绿色认证仍有一些争议。但还要看以下三个方面。

首先,与现有添加剂相比,石墨烯占地面积更小,负荷更低。一些公司声称,相对于石油化工中使用的碳黑等,石墨烯每吨二氧化碳排放量较低,性能却更高,带来的环境负载更低。

其次,石墨烯可以使用替代原料生产,几家公司开始利用废物、副产品或可再生材料,这已是一个日益增长的趋势,在一些情况下,石墨烯可以与氢气生产相结合。在推广绿色解决方案时,这无疑是一个值得关注的领域。

三是石墨烯的可持续性,这是许多行业的关键驱动因素。最明显的是,锂离子电池(LiB)是蓬勃发展的储能市场的主要组成部分。迄今为止,石墨烯在该领域发挥的作用最小,但在硅阳极得到大量采用的情况下,石墨烯正在证明自己是一种潜在的赋能解决方案。石墨烯还活跃于许多其他储能领域,包括Li-S(锂硫)(艰难的技术)、铅酸电池(有限的增长)、铝离子(早期阶段)和超级电容器(成长中的利基市场)。

石墨烯还有其他几种环保驱动的应用,包括过滤膜、可持续电子产品和替代有毒添加剂。在石墨烯商业化的各个阶段,每个市场的前景都是不同的。

综上所述,石墨烯是否是绿色的答案更为微妙

石墨烯的市场应用评估

 

18个以上关键应用领域,数百家公司从事相关业务,其中包括60多家关键企业,已经有超过20年的技术研究。这些材料的许多最终用途市场包括储能、复合材料、导电油墨、柔性电子产品等。

每种应用都有不同的多功能要求,因此不存在“最佳石墨烯”,最终用户现在承认,由于最终应用水平的结果受石墨烯形态和纯度等许多参数的影响,因此无法预先确定制胜材料。

先进材料往往受到材料推动而非市场拉动的影响,市场驱动因素包括改进电子产品的热管理、可持续性、轻量化、产品寿命等必要性。

石墨烯薄膜和晶片通常通过CVD工艺生长,有非常不同的历史和前景。鉴于明显潜力,晶体管和TCF(透明导电薄膜)被广为看好,随着制造业的改进和进一步发展,传感器和光电应用在商业上取得了成功,未来10年对于某些关键终端用户市场来说前景乐观。

 

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石墨烯透明导电薄膜

石墨烯的神奇之处

 

石墨烯是一种以蜂窝状晶格排列2D碳纳米材料,鉴于理论性能,它通常被称为“神奇材料”,包括:

高强度和刚度(杨氏模量为1.3 TPa)

高导热性(5300 W/mK)

低电阻率(10-6Ω.cm)和高电子迁移率

透明(吸收2.3%的可见光到红外光)

大比表面积(2630 m2/g),理想情况下厚度约为0.345nm(一个原子层)的纯sp2键合碳。然而,根据所使用的制造工艺,商业实现有很大不同。

石墨烯可以通过“自上而下”(从石墨中剥离)或“自下而上”的生长过程生产。

2004年英国曼彻斯特大学首次分离了石墨烯,2010年获得诺贝尔物理学奖。研究和开发周期在延长,商业化的发展才刚刚开始。

石墨烯的材料等级和形式如下图所示。

 

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石墨烯有更多分类,在许多情况下,它更像是一个光谱

信源 | IDTechEx

石墨烯的典型应用

 

事实上,说石墨烯不绿色并不确切,智能手机的散热管理就是一个典型应用。热管理应用是石墨烯应用的早期关键领域,市场对高性能散热片的需求越来越大,石墨烯的性能和形态也非常适合。

随着人们对性能的要求越来越高,这一点在主流智能手机中受到了越来越多的关注。这与用作局部散热片、较大的散热片或替代蒸汽散热室不同,小米、华为、Oppo、中兴、Vivo都有尝试。

2021年7月,中兴通讯推出了Axon 30,该产品在其“三重冰冷却系统”中使用了石墨烯,系统由蒸汽室冷却板、热凝胶和石墨烯-科伯复合材料组成。

2022年1月,Realme(真我)发布了新的GT 2系列,该系列使用石墨烯片冷却技术(称为3D多层石墨烯)和蒸汽室。

 

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PBK Review拆解中兴Axon 30,石墨烯铜冷却显示在右侧

图源 | PBK Reviews

 

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良好的散热性,表面积11588mm2,最新1232mm2石墨烯散热片,重量减轻50%

华为持股公司

2011成立的常州第六元素材料(Sixth Element)是一家粉体石墨烯研发商,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、江苏华威世纪电子集团有限公司共同投资建立的股份制企业,华为旗下的哈勃投资持股10%的富烯科技,该公司成立于2014年,主要从事用于散热片的石墨烯导热膜和石墨烯导热块的生产。

华为Mate 20 X手机采用的石墨烯薄膜冷却技术进行热管理,生产商就是富烯科技。

也许石墨烯最重要的是汽车行业的角色。目前使用最广泛的透明导电材料是氧化铟锡(ITO),但是贵金属铟的有限储备和ITO的脆性阻碍了其在柔性电子器件中的应用和可持续发展,开发替代ITO的新型透明导电材料成为柔性电子器件发展的首要任务。

石墨烯具有超高的电子电导率、理想的电容储能和对光透明的特性,同时柔性可折叠,在构筑高性能透明导电薄膜和柔性透明超级电容方面等方面具有很大潜力,可用于汽车智能表面,如车载触控屏应用。

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