2002年，深圳大学的一间实验室内，当时的深圳大学科技处处长、化学系主任刘剑洪带领团队合成了一种低分子聚合物，并逐步合成一种单层石墨。当时，并没有相关的文献可查，刘剑洪仅认为这是个单层石墨。
直到2004年，英国物理学家德烈·海姆的论文报道了石墨烯，刘剑洪意识到，自己合成的单层石墨分子从物理学角度来看也是一种石墨烯。
刘剑洪十分兴奋，经过系统的梳理其合成过程以及进行改性，刘剑洪打开了其应用“宝藏”的大门。
因为该石墨烯材料在电池电极、隔膜等领域的优异特性。11年后，即2015年，他拿到了动力电池三元前驱体龙头企业格林美的2000万元投资。
2021年，石墨烯产业链后端的龙头企业中核钛白也投资了他们。很快，1万吨产能的石墨烯包覆石墨负极材料产线开始建设。今年下半年，1000吨产能的石墨烯包覆硅负极材料也进入投产阶段。
“秉持原始创新、整合资源、厚积薄发，正好赶上国家对新能源产业的扶持政策，站在风口上，我们会取得一个良好的发展。”刘剑洪憧憬道。
01
合成的单层石墨竟是石墨烯
“当时我们没有意识到它是石墨烯，也没有石墨烯的概念。”刘剑洪有些遗憾地对《大国之材》表示，在20年前，团队在实验室制备出的单层石墨，竟然就是石墨烯，没有意识到它将会具有一系列优秀的物理学特性。
看到德烈·海姆的论文被报道后，刘剑洪意识到自己团队合成出的单层石墨是石墨烯，并开始系统地对其合成过程进行探讨，通过透射电子显微镜、扫描电镜、X衍射，拉曼光谱等进行结构表征，以及对其结构进行改性和应用的尝试。
与诺奖获得者安德烈·海姆的透明胶反复对粘方法及主流的CVD化学气相沉积方法、氧化还原法等制备路径不同，刘剑洪团队采用的是液相低聚物合成石墨烯。
刘剑洪对《大国之材》表示，化学气相沉积是以天然气作为碳源，在1200摄氏度左右碳氢化合物裂解，碳沉积到铜箔上，以此催化出石墨烯结构，再将该结构转移出来就制备成了石墨烯膜。不过，刘剑洪认为这种结构可能含有无定型碳等非石墨烯的碳结构。
另一种则是氧化石墨烯还原，该方法采用浓硫酸、高锰酸钾等作为强氧化剂在石墨表面进行氧化。不过，强氧化剂会破坏石墨的共轭结构，即碳与碳原子之间单键、双键交替的结构。氧化完成以后得到氧化石墨烯分散液，最后将其还原，过程十分复杂。“一旦共结构被破坏了，很难完整地还原回来。”
“液相低聚物法合成单原子层石墨烯是我们独创的一条道路。” 刘剑洪对《大国之材》表示，目前只有本征方程能通过该方式生产单层的石墨烯，也只有以单层或两层石墨烯为基础的产品，才能真正体现石墨烯的各种优点。
液相低聚物经过逐步的热化学反应，从线性的分子转变成为梯形分子，再转变成为平面分子，最后将其进行碳化，这一过程使得石墨烯结构十分完整，从拉曼光谱的结构来看，获得的单原子层石墨烯含量高达97%。
为了展示其单层特征，刘剑洪团队耗费了数年时间致力于其中，通过对石墨烯平面分子进行边沿碳原子选择性氧化反应，单原子层石墨烯呈现出表面活性剂特性，可以溶解于水、油及有机溶剂中，形成透明的溶液，解决了石墨烯粉体成型问题。
该方法解锁了石墨烯许多新的应用场景，如可以大批量、低成本制备透明石墨烯膜。另外，将石墨烯溶解在机油里，具有优异的润滑性能，还具有修复性能。
刘剑洪发现，石墨烯也可以与金属氧化物复合，产生神奇的效果。通过梯形聚合物分子与金属氧化物复合，形成梯形分子包裹的氧化物金属层，经高温烧结外层形成石墨烯，该石墨烯具有还原性，可以将内部的氧化物金属还原成金属，就得到了石墨烯包覆的金属单质和各种石墨烯金属复合结构。
光伏太阳能发电需要用到银浆，而银作为贵金属，其成本占光伏太阳能电池约8%的成本。刘剑洪将石墨烯与金属氧化铜复合，形成石墨烯包覆铜纳米粒子，解决了铜在空气中易氧化问题，实现了对银粉的替代。“它可以实现降低电阻的同时，降低原材料成本。”
“我们已经成功合成了铁、锰、氮的石墨烯结构。”刘剑洪对《大国之材》表示，石墨烯中的部分碳原子被金属取代，形成了一种结构，可以使得其铁磁性提高70%，具备供电子功能，可以实现对铂、钛等贵金属的取代，可以用于氢燃料电池氧化还原的催化剂，大幅降低成本，还可以作为高性能储氢材料。
02
可破解锂电负极痛点
2015年，刘剑洪团队拿到了格林美2000万元战略投资，并合资成立深圳市本征方程石墨烯技术股份有限公司（简称“本征方程”）。
在媒体采访中，格林美董事长许开华对刘剑洪的评价是，“刘剑洪教授是石墨烯领域的牛人，我们很看好他的技术领先性和技术转化产业能力。”
许开华的眼光是毒辣的，刘剑洪骨子里刻着对原始创新的执著，这成为他在石墨烯的技术研究及应用上进行深刻探索的动力源泉。
针对液态梯形分子与氧化物金属复合，刘剑洪发现，甚至可以将金属控制还原到不同的阶段，如氧化铜可以控制还原成氧化亚铜。刘剑洪解释道，中间氧化物态一般而言很不稳定，遇见空气就会回到高氧化状态，有了石墨烯的保护，就可以很稳定地处在中间氧化物态。
石墨烯包覆氧化亚铜、氧化亚锰具有优异的防海生物附着性能，可以用于海洋船舶防污涂料中，具有长效的防海生物附着作用。早在2006年，刘剑洪就与中国科学院院士吴奇合作开展了海洋船舶的防海生物附着的研究，获得了国家863项目的立项资助。
“这是中国独一无二的一款防海生物附着的材料。”刘剑洪颇为自豪地对《大国之材》表示。
石墨烯亦拥有优异的热学与电学性能。这意味着，它在电池领域有待发掘的潜力。2008年被认为是中国发展新能源汽车的元年，在这年的头一年，刘剑洪就与加拿大皇家科学院院士孙学良教授展开合作，开展了液相低聚物法合成单原子层石墨烯在锂离子电池中的应用研究。
刘剑洪团队决定从电池的正、负电极入手。市面的负极材料通常是石墨，刘剑洪发现，将单原子层石墨烯覆盖住石墨的表面，将产生一系列惊喜的效果。
对于锂电池正极材料而言，大电流充电将快速带走正极的锂离子，而锂离子相当于房子的柱子，一旦被带走，将产生正极的坍塌，造成锂电池的破坏。石墨烯对正极材料的掺杂与包覆可以稳定正极材料的结构。
对于锂电池负极材料，一个重要的痛点是进行大电流充电或低温放电时容易产生锂枝晶，从而引起电池短路产生燃烧与爆炸。通过石墨烯将石墨负极包覆后，锂原子将优先与石墨烯表面结合，再插入石墨层段结构中，可避免锂枝晶的产生。
另外，电池的电阻得以下降，满电直流内阻下降20%-40%，在电池充放电时减少了热的产生。
在电池内部，石墨烯的出现使得其结构稳定，膨胀收缩也得到部分控制。石墨烯在硅碳负极材料的应用，取得了令刘剑洪兴奋的效果。在传统的硅碳负极中，当负极充满锂原子后，硅膨胀达到300%，石墨膨胀为20%-30%，两者易形成强大的内应力，循环超过70-80圈后，硅碳负极表面将溃烂。采用石墨烯包覆纳米硅，将有效降低膨胀和内应力。
在正极材料方面，尤其是三元正极材料，其结构是层状的，锂原子就藏在层与层之间，充电时将导致锂原子逃离，但如果锂原子全部逃离，将导致坍塌现象，石墨烯可以以平面梯形分子的形式，插入三元层状结构，在表面与金属镍、钴复合形成碳化镍、碳化钴，实现三元材料结构稳定，极片阻抗下降70%。
石墨烯在锂电池等优异表现，让刘剑洪开始酝酿产业化的计划。
03
赶上新能源产业发展风口
“可以说我是用生命在做石墨烯。”刘剑洪对《大国之材》打趣道。
全副身心的投入，也换来了技术的进步。石墨烯包覆的正、负极材料如果能导入应用，将对电池技术带来提升。刘剑洪分析道，对于首先是安全性能的提升，减少内应力，避免了自燃自爆的情况发生；其次，提升了电池快速充放电的能力，避免锂枝晶的产生破坏锂电池；另外，还赋予了电池低温性能，“我们实现了软包叠片电池在零下40度的放电率达到常温放电率的76%-80%。”
在成本方面，刘剑洪表示，液相低聚物合成的石墨烯成本并不高。低聚物梯形分子与电池电极复合后，高温烧结环节的成本很低，并不会提高锂电的成本。
技术在大学实验室得到突破，但刘剑洪认为，这和产业的结合是有限的。2015年，在拿到格林美的投资后，刘剑洪展开了工程化的攻关。
“从实验室到产业化，中间要做的事很多。”刘剑洪对《大国之材》回忆道，以石墨负极为例，天然石墨和人造石墨种类五花八门，前期要对原料进行详细的结构标准研究，以保证石墨烯梯形分子能够与材料表面实现牢固地结合。
对于导入新能源汽车用的电池材料，验证过程十分复杂。“客户对于新产品的认识，需要一个漫长的了解过程。”从产品、工艺的验证到稳定性的验证，每一款产品的推出，需要10-15年的时间。“从30多岁开始做石墨烯研究及其应用，现在我都58岁，快退休了。”刘剑洪感慨道。
厚积薄发，是刘剑洪对成果研究和产业化生命周期的高度把握，这也蕴含着他的期许。
2021年底，许开华来到本征方程，对刘剑洪说，大规模工程化的时机已经成熟了。这让枕戈待旦的刘剑洪兴奋不已。
在2022深圳国际石墨烯论坛现场接受《大国之材》采访时，刘剑洪刚从湖北荆门赶回深圳，原来，就在去年11月，本征方程就和另外5家公司在荆门市共同投建了石墨烯包覆石墨负极材料生产基地，投建产能达1万吨。
去年年底的时候，本征方程还完成了另一件大事，引入了另一大股东中核钛白，接受了其7500万的投资。
今年，位于深圳坪山的1000吨石墨烯包覆硅负极的生产线已经建好，克容量达到1300，首次放电效率超过90%，1C循环达到1000圈，目前正在进行批量试生产。
围绕石墨烯技术，针对新能源产业，刘剑洪画好了技术布局版图。用于动力电池的正负极材料、用于光伏的石墨烯铜浆以及石墨烯电化学储氢。
“我们的石墨烯团队一起创业，一直坚持到现在，现在曙光已现。我们又赶上了国家新能源产业扶持的政策，这让我们站在了风口。”刘剑洪期许道，又到本征方程大展拳脚的时候了。
本文来自大国之材，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
