国际首创！首个通过化学气相沉积法生产三维石墨烯粉体项目在陕西神木实现工业化量产

行业背景

石墨烯作为一种新型碳材料由于其优异的物理化学特性，使得其在国家产业竞争中具有重要的战略价值，曾一度受到世界各国的争相研究与发展，但中国的石墨烯产业始终未能取得发展预期。为此，我们对国内多个石墨烯产业园进行实地调查研究，目前的现状是：1.在生产领域，国内以石墨为原料生产出的石墨烯种类繁多，同质化问题突出，高端产能不足，低端产能过剩，尚没有一家公司可以生产出100%的石墨烯；2.在下游应用领域，存在石墨烯不会用以及用了无显著效果的问题；3.价格高，石墨烯粉体售价几十万至一百万元左右每吨，上述原因导致石墨烯产业裹足不前。

我们认为要打破当前的产业困局，必须破旧立新，以新的方法从源头上来解决石墨烯的生产问题，其他问题才能迎刃而解。为此，我们抛弃了以石墨为原料生产石墨烯的方法，而是以化学气相沉积法（CVD）来生产石墨烯。公司经过多年的研发，实现了国际首个且是唯一一个通过化学气相沉积法实现工业化，千吨级，低成本生产高质量（100%）石墨烯粉体的生产。从根本上解决了石墨烯粉体的质量、产量、成本以及石墨烯下游应用过程中的诸多问题。

公司简介

陕西兴汉澜墨科技有限公司成立于2018年，公司致力于石墨烯粉体的规模化生产。项目为全球首个通过化学气相沉积法规模化生产高品质石墨烯粉体的项目，该技术从根本上解决了石墨烯粉体的质量、产量、和成本以及石墨烯下游应用过程中存在的石墨烯粉体团聚的诸多问题。项目产能为1000吨/年，所生产的高品质石墨烯可用于锂离子电池，超级电容器、电磁屏蔽和复合材料等诸多领域。工厂坐落于陕西省神木市锦界工业园，如下图1：

图1 陕西兴汉澜墨科技有限公司

二维石墨烯粉体的生产现状

石墨烯由于其优异的特性，曾一度受到世界各国争相研究和发展。这些年经过各地石墨烯产业园的建设和石墨烯产业的发展，石墨烯逐渐步入我们的生活。石墨烯在一些日常的电热服，地暖等行业得到快速应用，但是在一些如新能源，超级电容和电磁屏蔽等高端领域尚没有取得突破性进展。通过调研发现，目前，市场上的石墨烯企业生产石墨烯粉体的主流方法为：以石墨为原料，通过各种方法来剥离层状石墨从而获得石墨烯粉体。其生产方法主要有：物理法、液相剥离法、化学氧化还原等方法，以石墨为原料对石墨进行插层剥离生产石墨烯过程如下图2：

图2 以石墨为原料剥离石墨制备石墨烯

通过对国内外多家生产商的石墨烯样品进行研究，结果是市场上的企业生产的石墨烯粉体实际为石墨烯和薄层石墨的混合物，这是目前以石墨为原材料生产石墨烯粉体不可避免的问题。目前，全世界范围内尚没有一家公司可以生产出100%的石墨烯。与此同时，石墨烯粉体在下游应用过程中存在不可避免的团聚、分散等问题给石墨烯的下游应用增添了诸多困难，再加上在市场上公开销售的石墨烯产能较小、成本高、价格高等问题进一步阻碍了石墨烯下游应用市场的发展。以石墨为原料生产出的为二维片状石墨烯，其结构如下图3：

图3 以石墨为原料生产出的为二维片状石墨烯

化学气相沉积法（CVD）生产三维石墨烯

为了能够解决目前市场上石墨烯产品以及石墨烯下游应用过程中存的在诸多问题，位于陕西省榆林市神木市锦界工业园区的陕西兴汉澜墨科技公司采用了全新的的工艺路径来生产石墨烯。该项目通过化学气相沉积法来生产石墨烯粉体，化学气相沉积法不需要以石墨作为原料，而是以含碳物质为原料在催化剂的作用下催化脱氢后，碳原子在催化剂表面排列为规则的六边形形成石墨烯，从而解决了上述诸多问题。化学气相沉积法的生产石墨烯的原理如下图4：

图4 化学气相沉积生产石墨烯原理图

通过化学气相沉积法生产出的石墨烯具有以下优点：

1.石墨烯质量高：不存在生产出的石墨烯粉体为石墨烯和石墨粉的混合物，所生产的石墨烯为100%的石墨烯；

2.石墨烯结构可控：可以通过调控化学气相沉积制备石墨烯过程中的参数来有效调控石墨烯的结构，从而满足不同的应用领域对石墨烯的结构要求；

3.下游应用稳定：石墨烯在下游应用过程中不存在团聚而引发的一系列问题；

4.产能大，成本低和价格低：使得石墨烯能够在下游诸多应用领域大面积推广使用。

该项目为目前国际首个并且是唯一一个通过化学气相沉积法实现工业化，规模化，低成本生产高质量石墨烯粉体的项目。该技术从根本上解决了石墨烯粉体的质量、产量、成本和环保以及石墨烯下游应用过程中存在的石墨烯粉体团聚的诸多问题。化学气相沉积法生产出的石墨烯为三维多孔结构，项目产能为1000吨/年，为全球最大的单体石墨烯粉体生产项目，经过多年的研发目前项目已顺利投产。产品外观为黑色粉体，如下图5：

图5 产品外观图

通过对化学气相沉积法生产出的石墨烯粉体测试表征，结果表明：化学气相沉积法生产的石墨烯为三维多孔结构，层数为3-7层可调，平均粒径5微米左右，比表面积400-800m²/g可调。其中，三维石墨烯扫描电镜（SEM）图6和透射电镜(TEM)图7如下:

图6 三维多孔石墨烯扫描电镜（SEM）测试

图7 三维多孔石墨烯透射电镜（TEM）测试

化学气相沉积法生产出的三维多孔石墨烯不同于以石墨为原料生产出的二维片状石墨烯，三维多孔石墨烯与二维片状石墨烯对比如图8所示：上方为通过化学气相沉积法（CVD）生产的三维石墨烯粉体的扫描电镜图，下方为以石墨为原料生产的二维石墨烯的扫描电镜图。

图8 二维片状石墨烯与三维多孔石墨烯扫描电镜（SEM）对比

通过上述对比，化学气相沉积法生产的石墨烯为三维多孔结构，以石墨为原料生产的石墨烯为二维片状结构。结构决定性质，三维石墨烯不仅继承了二维石墨烯的优异特性，三维石墨烯独特的网络结构，使得三维多孔石墨烯在新能源动力锂电池、超级电容器、电磁屏蔽和复合材料等领域具有独特的应用优势。

三维石墨烯的对比

4.1对比一：（三星三维石墨烯）

2017年三星制备出三维石墨烯球，将“石墨烯球”同正极材料复合,在提高电池容量的同时能够把充电速度提升到现有标准的 5倍，配备“石墨烯球”(graphene balls)的电池只需12分钟就可以完全充满。由于现实原因，三星的制备工艺使得石墨烯球无法实现工业化量产和商业化应用。我们对三星与我们所生产的三维多孔石墨烯进行了表征对比，结果如下图9：

图9 三星石墨烯球与我们所生产的三维石墨烯的表征数据对比

通过对三星的石墨烯球和我们所生产的三维石墨烯进行表征对比，可以得出以下结论：二者均为三维结构，两种石墨烯结构相似。与二维石墨烯相比，三维石墨烯的多孔道结构不会在充放电过程中对锂离子产生位阻效应，更加适合用于锂电池的导电添剂来实现快充。

4.2对比二：（广汽三维石墨烯）

在国内，进行三维石墨烯粉体研发和生产的企业还有广汽集团。

图10 广汽集团所生产的三维石墨烯

2021年，广汽对外官宣其生产的三维多孔石墨烯可以实现10分钟充满80%。广汽所生产的石墨烯同样为三维多孔石墨烯，其生产方法为树脂裂解法。我们目前所生产的三维多孔石墨烯从多方面要显著的优于广汽所生产的三维石墨烯。

4.3对比三：（中国科学院电工研究所三维石墨烯）

超级电容器是一种介于传统电容器和二次电池之间的新型电化学储能器件，它拥有功率密度高、充放电速率快、环境友好、温度特性好及使用寿命长等优点。已在军工装备、如激光武器有广泛的应用。电极材料是超级电容器的关键所在，它决定着电容器的主要性能指标，如能量密度、功率密度和循环稳定性等，所以生产出具有优异性能的电极材料成为超级电容器研究的重中之重。目前，市场上的电容器普遍采用电容炭（活性炭）或电容炭与其他材料的复合物作为超级电容器的电极材料。目前，国内对于高端电容碳的需求大部分通过从日本和韩国进口，国内多年攻关依然没有改变这一局面。

中国科学院电工研究所研究团队制备三维多孔石墨烯并将其用于超级电容器。三维石墨烯材料在测试过程中，当电流密度增大至500 Ag^-1时，容量仍维持113 Fg^-1。在功率密度高达1000 kWkg^-1的功率密度下，能量密度仍达60 Whkg^-1。此外，由于该石墨烯电极材料表现出异常优异的电化学稳定性，循环100万周后，容量保持率仍大于90%，其实测结果如下图11：

图11 中国科学院电工研究所所生产的三维石墨烯应用于超级电容器

我们所生产的三维多孔石墨烯在结构上与中国科学院电工研究所制备出的三维多孔石墨烯在结构上几乎没有差别。但是，在现实的工业条件面前，中科院电工所生产三维石墨烯尚未投入商业化应用，我们通过化学气相沉积法从根本上解决了三维多孔石墨烯粉体的商业化、工业化和规模化生产问题。

任何一种新产品与新技术的出现都会存在各种质疑，只有在与市场的交流和检验中才能逐步迭代完善。我们秉持开放、包容、合作和共赢的理念愿与各相关产业单位开展项目与产品的合作，欢迎各位来电咨询。

陕西兴汉澜墨科技有限公司

联系人：鄢平

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