石墨烯及其相关材料的应用前景如何?石墨烯发展至今成熟度究竟如何？日前，石墨烯旗舰合作伙伴位于德国卡尔斯鲁厄的弗劳恩霍夫系统与创新研究所（ISI）的研究人员在2D Materials发表了两篇论文，为未来石墨烯和相关材料在市场上的大规模使用制定了路线图。

石墨烯最初被制备至今，我们已经能够稳定生产出高质量的石墨烯。石墨烯旗舰合作伙伴Fraunhofer IS负责人Thomas Reiss表示在过去的两年中石墨烯的时长需求几乎翻了两番，其称石墨烯有望在2025年之前走出目前依靠产品定制的局面，而迎来大规模的应用，并畅想届时石墨烯可以应用到轮胎、电池和电子产品等无处不在的商品中。

而在石墨烯及相关材料的市场化道路上，这一个十年似乎是具有决定性的。石墨烯旗舰合作伙伴弗劳恩霍夫•ISI的Henning Döscher表示:“到2030年，我们将能够看到石墨烯是否真的像硅或钢那样具有颠覆性。”

石墨烯最有前途的应用组合概览

01

复合材料和涂层

石墨烯及相关材料（GRM）的增强性质使其作为复合材料添加剂或者涂料具有应用潜力。将GRM掺入复合材料中可以在技术要求较低的情况下提供多种应用机会，但具有很高的经济敏感性（低价格，大批量生产）。 应用痛点包括实现最佳分散的GRM功能化，潜在的环境和健康风险以及从“奇妙的材料”到“下一个CNT”（碳纳米管）的公众认知。 这也适用于具有不同成本效益关系的涂料行业。GRM用作液体的添加剂具有更低的实施障碍，例如用于钻井液。其他应用领域包括功能膜（脱盐，水净化）或与TiO2结合使用的光催化技术。

02

储能技术

能源应用可能会为GRM开辟独特的大容量市场。在储能领域，石墨烯是增强型锂离子电池，第四代电池概念（包括锂硫，锂空气，氧化还原流）以及超级电容器的候选电极添加剂。迄今为止，亚洲公司主导着不断增长的储能市场。新型终端产品需要先进的性能和降低的成本，这为GRM提供了一些机会。欧洲公司在某些细分市场表现出优势。超级电容器可提供更高的功率密度和动态存储。基于GRM的性能提升可能会为更好的市场渗透铺平道路。在能源转换领域，GRM作为燃料电池的电催化剂似乎很有前途，在替代贵金属（例如铂金）的情况下，它们可能会释放出巨大的成本降低潜力。然而，燃料电池汽车的技术进步可能会受到目前公众和政治对纯电动汽车的偏好的影响。在可再生能源发电方面，GRM在光伏领域有着巨大的前景，有可能取代透明导电氧化物顶触点，但更成熟的技术如银纳米银线构成了激烈的竞争。创新的钙钛矿太阳能电池技术可能会与主流材料标准(硅)竞争或补充，而GRM可能会成为电荷收集的推动者。

03

电子和光子

多种GRM应用可能会出现在电信，光电，光子，计算，传感器，柔性和印刷电子中。大多数材料都要求最高的材料质量，如单层石墨烯，其缺陷容错性低或无缺陷。晶圆规模的集成是一个重大的挑战，也给市场带来了巨大的机遇。横切问题解决了半导体制造中的生产线前端和生产线后端以及封装问题。GRM在光电子技术方面为高速通信，移动通信(5G及以上)似乎与欧洲经济特别相关。带隙的缺乏使石墨烯不能用于经典计算应用领域，但是在进一步小型化的背景下，功能化和其他2D材料在逻辑电路领域似乎很有前景。物联网、工业4.0、移动电子或自动驾驶等全球趋势为各种集成传感器创造了大规模市场，这些细分市场中，为基于GRM的创新解决方案的早期进入市场提供了各种机会。

04

生物医学

生物医学领域为GRM提供了独特的应用机会。受益于基于GRM的涂层、复合材料或传感器的医疗设备可能最接近市场。生物医学领域独特的新兴应用包括柔性，可穿戴和移动设备以及药物输送。制药和医疗器械市场有特殊的规定，因此需要大量的质量、安全性和有效性证明。

参考资料：

Graphene Roadmap Briefs (No. 1):Innovation interfaces of the Graphene Flagship