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石墨烯引爆巨头争夺战, 5G时代材料创新颠覆手机?

览潮网 7月3日讯(记者 杜峰)继石墨烯薄膜在华为Mate20X得到首次应用之后,华为近期发布的国内首款5G平板华为MatePadPro5G,搭载了超厚3D石墨烯散热技术,与此同时,三星和苹果也加快石墨烯在终端上的应用。

5G时代,手机向轻薄化、智能化和多功能化等方向发展,对手机散热等提出了更高的要求,石墨烯薄膜方案渐成主流,而石墨烯在其他领域的应用也在加速探索,一个千亿级的市场浮现。

手机大佬抢用“超级材料”石墨烯

石墨烯作为一种新型二维纳米材料,具有高导电性、高机械强度、柔性轻薄等特性,正在被手机巨头探索应用。

华为在手机上的石墨烯技术应用,最早始于2018年, Mate20 X在手机上全球第一次使用了石墨烯散热,利用其高速传热性能加速芯片散热。

今年2月10日,小米手机官方也公布小米 10 的散热设计,号称采用 “有点夸张”的立体散热系统,使用石墨烯+大面积VC液冷板+超大多层石墨。小米10内置了6层石墨作为立体散热的补充,让小米10的内部温度更加均匀。

除了中国厂商,三星也在发力。据报道,三星GalxayFold2将会采用石墨烯基电池,这种电池的正负极以及电解质均由石墨烯材料制成,虽然还算不上真正的石墨烯电池,但相较于传统电池,在体积和电池容量上都将有明显提升。

去年也曾有媒体报道,三星将在两年内发布带有石墨烯电池的智能手机。早在2017年11月,三星就已经获得了基于石墨烯电池解决方案的专利。相比传统的解决方案,三星的石墨烯解决方案能使电池的电荷比锂电池高出45%。

苹果方面,此前一直有传闻苹果准备把石墨烯电池应用在手机上,近日有媒体曝光iPhone12一些情况, iPhone12除了外形方面做出了颠覆式的设计,将会是屏幕石墨烯电池的首次应用,搭载一块容量为5000mAh的石墨烯基电池,由于电池的电芯以及正负极均有石墨烯材料制成,充电效率将提升50%。

此外,诺基亚从2006年开始对石墨烯进行研究,着力研发石墨烯光传感器。据悉,石墨烯对光线很敏感,所以用石墨烯做摄像头,其感光率将比普通摄像头高1000倍。

随着中外巨头的发力,在石墨烯领域激烈竞争已经愈演愈烈。

5G手机石墨烯大有可为

石墨烯是目前发现的最薄、最坚硬、导电性能最强的材料。“新材料之王”石墨烯目前在电磁屏蔽、新能源电池,以及航空航天、卫生、医疗领域等等都得到了广泛的关注,而且在很多领域里面都有可能会带来颠覆性的变革。华为创始人任正非曾经表示,未来10到20年内会爆发一场技术革命,将来最大的颠覆事件是石墨烯时代取代硅时代。

具体到手机行业来看,石墨烯在5G时代也有广阔的发展空间。

一方面会增加5G手机的续航。当前智能手机行业所采用的电池技术主要是锂离子电池,在科技行业技术革新不断的情况下,电池技术的突破难题待解。石墨烯电池受到的业界关注,主要是使用石墨烯电池,可以在不改变现有电池体积大小的情况下,让电量翻倍。

目前石墨烯在锂电池方面的研究方向主要有两个。一是在传统锂电池上进行升级改造,提升锂电池的性能。二是依据石墨烯制造一个新体系的电池,从而实现颠覆性的性能,可以将其称为“超级电池”。如果石墨烯+电池有重大突破,那将会给手机续航带来重大变革。

另一方面也将解决5G手机的散热问题。散热已成为决定智能手机以及其他智能终端性能的关键。目前智能手机上采用的散热技术主要包括石墨烯热辐射贴片散热、金属背板散热、导热凝胶散热以及导热铜管散热等。

石墨烯独特的晶粒取向,使得其沿两个方向均匀导热,可有效防止电子产品局部过热。同时有很高的导热性能,导热系数高达5300W/m·K,超过了钢、铜、铁等多种金属材料,甚至高于碳纳米管和金刚石的导热系数。因此可以替代传统的铝质或者铜质散热器,成为5G时代散热解决方案的优秀材料。

目前,华为积极开发石墨烯散热技术。从Mate 20 X到Mate 30 Pro 再到华为P40系列等手机,加上华为MatePad Pro 5G平板电脑也是采用石墨烯技术,华为从手机到平板电脑领域,正在探索新的散热之路。今年的旗舰Mate40系列也大概率会使用这种新的散热技术。

随着5G手机换机潮的到来,由于石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数,有望迅速扩大在电子设备散热方案中的应用。

此外,石墨烯还是一种比较好的柔性屏材料。它的透光率会比传统的材料透光率更高,透光率高达 97.4%,屏幕显示会更加清晰,而且石墨烯电阻率比传统材料电阻率也要低,所以说石墨烯屏幕触控起来会更加的灵敏。

石墨烯材质产品有望被应用在触摸屏、电池、传感器等多个领域,即将改变手机等数码产品的未来形态。

小米在今年2月,投资了从事化学法石墨烯生产的公司广东墨睿科技,华为近日也投资常州富烯,在石墨烯技术领域不断加码。业内人士表示,华为的加码尤为关键,将会在业内掀起一场石墨烯材料和技术的新潮流。

亟待杀手锏应用落地

我国对石墨烯产业的重视与日俱增。截至2019年9月底,注册的与石墨烯相关的单位数量达12228家。中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春博士透露,中国石墨烯行业正处于市场导入期,预计石墨烯产业2020年进入快速成长期,2021年市场规模可达200亿元,2025年有望达到1000亿元。

不过,从石墨烯于2004被科学家发现证实后到今天,已经过去了16年, “石墨烯”至今没有大规模应用,目前来看还存在不小的挑战。

首先是成本问题。

目前石墨烯的价格每克达到了上千元,就算每台手机的石墨烯电池用不了多少石墨烯,但也不是一般手机可以承受的。有业内人士坦言,现在所说的很多所谓的石墨烯电池,其实只是加了一点石墨烯粉,并不是真正的石墨烯电池。对于现在的厂商和用户来说,石墨烯成本和价格如果不降的话,石墨烯电池是空中楼阁。

其次,缺乏应用案例。

目前虽然石墨烯产品很多,但大多都是商家噱头,业内尚无大规模成功的应用案例,国内石墨烯产业处于初级发展阶段,产品主要用于研究机构的研究。市场开拓过程需要很长一段时间,而应用市场尚未完全打开,这使得石墨烯公司难以稳定获取利润,从而实现良性发展。

再有就是,工艺上来看,目前制取石墨烯还存在技术壁垒。

目前如何批量化地制备大面积、稳定性好、高质量的石墨烯是难点之一,如果良率在50%-60%,就很难达到产业化的要求,更何况还需要下游的应用推广。

中科院重庆绿色智能技术研究院微纳制造与集成研究中心副主任史浩飞表示,石墨烯手机有可能成为一个不错的应用案例。成功的应用案例对开拓石墨烯应用市场意义重大。

从整个行业发展趋势上看,石墨烯产业有很大的前景和增长潜力,但作为一个全新的朝阳行业,石墨烯产业发展还需要更多的时间积累,只有在技术和成本领域有重大突破,才能带来颠覆性变革。

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