石墨烯+铜,解密一年省186亿度电的复合材料“超级铜”!

“如果我们全国高铁10%的电机,用上这种‘超级铜’材料,那我们可以一年节省出180多亿度电,相当于节省出一个葛洲坝电站。”

211的《焦点访谈》节目中,国家石墨烯创新中心主任、中科院宁波材料所研究院刘兆平对超级铜作出了以上评价。

超级铜是什么?相较于普通的铜有什么不一样?

简单而言,超级铜是金属铜和石墨烯叠加而成的复合材料。加了石墨烯的铜,导电性能大大提升,而且不影响铜原本的机械性能。目前,导电性能最强的纯金属材料是“导电性能之王”银。然而,据美国铜协会认定,超级铜是目前室温测到的最高电导率的金属导电材料,比银还要高出10%

石墨烯+铜,为什么会诞生超级铜呢?

众所周知,石墨烯被称作“新材料之王”,具备超过的导电性、柔韧性、热传导性等等。石墨烯的载流子室温迁移率大于150000C/V·S),为硅的100倍,理论电导率达10X10S/m

比铜(5.7X10⁷)和银(6.3X10⁷)还高。石墨烯和铜结合,利用石墨烯优异的导电性能和力学性能,使得电子又多又快,实现了石墨烯和铜的优势互补。

那么,具备超高导电性能的超级铜有什么用处呢?

正如文章一开始提到的,最直接的一个功能便是省电。所以,超级铜也有另一个称号——“超级充电线”。

以高铁领域的应用为例,目前,我国高铁的时速为350公里,目前正在向400公里迈进。而高铁轨道上方都有用于输电的接触网导线,这根看似普通的导线,源源不断地为高铁提供电能。同时,由于高铁用电量大、时速高,所以需要导电性能高、耐高温、柔韧度和强度都极佳的导线。

2021年,中科院深圳先进院副研究员王鑫在接受采访时就曾表示:“我国高铁时速马上要达到400公里,这就需要升级版的‘超级导线’,我们觉得石墨烯+铜是很好的解决方案。”

除开高铁,超级铜还可应用于多个领域,如工业驱动领域的电机、变压器;新能源领域的汽车、风力发电、光伏发电、核电;高端应用领域的通讯和工控芯片;电力行业的电力电缆、电气柜。

实际上,早在2021年,中车研究院就表示,其已初步搭建150吨的超级铜中试试验线,形成“超级铜制造+计量检测+装备研制+终端应用”的全产业链技术能力。此次《焦点访谈》节目中出现的“超级铜”,便由中车研究院与上海交通大学张荻团队联合研发。

目前,超级铜已经实现了小批量量产,大批量规模化生产也将成为可能。同时,基于超级铜的优异导电性,它将在未来广泛应用于各大基础领域。更为重要的是,超级铜能大大提升了传统金属材料的导电率、降低了能耗,这也我国碳中和、碳达峰的目标不谋而合,十分符合我国绿色清洁发展的需要。

基于以上,超级铜担得起“超级”这一评价,它的意义将是革命性的。当然,超级铜的诞生离不开一个关键性材料——石墨烯。

作为近些年最火的材料明星,石墨烯一直以来都被寄予厚望。如今,石墨烯已在涂料、医疗、制造等多个行业崭露头角。

此次的《焦点访谈》中,也重点介绍了以国家石墨烯创新中心为代表的一批国家制造业创新中心。202210月,国家石墨烯创新中心由工业和信息化部批复组建。而从2016年起,我国就开始创建国家制造业创新中心,其目的就是解决我国产业创新能力不强的难题。202112月底,工信部发布《“十四五”原材料工业发展规划》,新材料产业也被列入其中,并被视作支撑国民经济发展的基础性产业和赢得国际竞争优势的关键领域。

以上种种,都充分证明了国家政策方面对石墨烯的高度关注。目前的石墨烯市场,虽然涌现了一些新技术、新公司、新产品,但依旧处于产业化发展的前期。究其原因,石墨烯产业投入成本高、投入周期长、风险高,普通企业难以长期投入发展。国家政策层面的支持,也将为石墨烯产业的发展注入强劲的动力。在企业、科研院所、创新平台的协同作用下,石墨烯产业也将迎来如“超级铜”一般的技术突破。