2002年、深圳大学の研究室で、当時深圳大学科学技術部長兼化学部長だった劉建宏がチームを率いて、低分子ポリマーと、単層グラファイトを段階的に合成していった。 当時は関連する文献もなく、劉建宏は単層グラファイトとしか思っていなかった。

2004年、イギリスの物理学者デレク・ハイムがグラフェンに関する論文を発表して初めて、劉建英は自分が合成した単層グラファイト分子が、物理学的にはグラフェンでもあることに気がついた。

劉建宏は非常に興奮し、合成プロセスを体系的に調べ、修正した後、劉建宏はその「宝の山」である応用への扉を開けた。

それから11年後の2015年、彼は電力電池の3元前駆体のリーディングカンパニーであるグリーンマックス社から2000万元の投資を受けた。

2021年には、グラフェン産業チェーンの後工程を担うリーディングカンパニー、CNNCチタンホワイト社からも出資を受ける。 間もなく、容量1万トンのグラフェン被覆黒鉛負極材生産ラインの建設が始まった。 さらに今年後半には、容量1,000トンのグラフェン被覆シリコン負極材も生産に入った。

"独創的なイノベーションを堅持し、資源を統合し、強みを生かし、国の新エネルギー産業への支援政策に間に合わせ、風上に立って、良い発展を遂げる" 劉建宏はそう思い描いている。

01

合成された単層グラファイトが、実はグラフェンだった

"当時はグラフェンとは気づかず、グラフェンという概念もなかった" Jianhong Liuは、20年前に研究室でチームが準備した単層グラファイトがグラフェンであることが判明し、それがさまざまな優れた物理的特性を持つことに気づかなかったことを、少し後悔しながらThe Big Countryに語ってくれました。

Dreyer Heimの論文が報道されるのを見て、Jianhong Liuは、自分のチームが合成した単層のグラファイトがグラフェンであることに気づき、その合成過程、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、X回折、ラマン分光法による構造特性、構造改変の試み、応用などについて体系的に調べ始めた。

ノーベル賞受賞者アンドレ・ハイムの透明接着剤による繰り返し対向接着法や、主流であるCVD化学気相成長法、酸化還元法による合成とは異なり、劉建宏のチームは液相オリゴマーを用いてグラフェンを合成した。

劉建宏氏は「大国志」の取材に対し、化学気相成長法は天然ガスを炭素源とし、炭化水素を1200度前後で分解し、炭素を銅箔に蒸着させ、触媒でグラフェン構造を作り、それを転写してグラフェン膜を作製すると語った。 ただし、この構造にはアモルファスカーボンなどグラフェン以外の炭素構造が含まれている可能性があるとJianhong Liuは考えている。

もう一つの方法は酸化グラフェン還元法で、濃硫酸と過マンガン酸カリウムを強力な酸化剤として用い、グラファイトの表面を酸化させる。 しかし、この強力な酸化剤は、グラファイトの共役構造、すなわち炭素原子と炭素原子の間の単結合と二重結合が交互に現れる構造を破壊してしまう。 酸化が完了すると、酸化グラフェンの分散液が得られ、これを非常に複雑な工程で最終的に還元する。 "一度破壊された共構造を、無傷で元に戻すことは困難である。"

"液相オリゴマー法による単原子層グラフェンの合成は、我々にとって独創的な道です。" 劉建宏は大国志に、現在のところ、この方法で単層グラフェンを製造できるのは固有方程式だけであり、単層または2層のグラフェンをベースにした製品だけが、グラフェンのさまざまな利点を真に反映させることができると語った。

液相オリゴマーは、線状分子から台形分子、平面分子へと徐々に熱化学変化を起こし、最終的に炭化する。 この過程で非常に完全なグラフェン構造が得られ、得られた単原子層にはラマン分光の構造が示すように、最大で97％のグラフェンが含まれている。

単原子層の特性を実証するために、Jianhong Liuのチームは数年をかけて、グラフェン平面分子の端にある炭素原子を選択的に酸化することで、単原子層グラフェンが界面活性特性を示し、水、油、有機溶媒に溶けて透明溶液となり、グラフェン粉末形成の問題を解決できることに成功した。

この方法により、透明なグラフェン膜を大量かつ低コストで作製できるなど、グラフェンの新たな応用シーンを数多く切り開くことができる。 また、グラフェンをモーターオイルに溶かすと、優れた潤滑性が得られるほか、修復作用もある。

Jianhong Liuは、グラフェンを金属酸化物と複合化することで、不思議な効果を生み出すこともできることを発見した。 台形高分子分子と金属酸化物を複合化することで、台形分子で包まれた酸化金属層を形成し、その外層を高温で焼成してグラフェンを形成すると、還元性があり内部の酸化金属を金属に還元でき、グラフェン被覆金属モノリスや各種グラフェン-金属複合構造体が得られます。

太陽光発電では、銀ペーストを使用する必要があり、銀は貴金属であるため、そのコストは太陽電池のコストの約8％を占めている。 劉建宏は、グラフェンと金属酸化銅を複合化させてグラフェン被覆銅ナノ粒子を形成し、空気中で銅が酸化しやすいという問題を解決して、銀粉の代替を実現した。 "原料コストを抑えながら低抵抗化を実現できる"

"鉄、マンガン、窒素のグラフェン構造の合成に成功しました。" 劉建宏は、大国志に、グラフェンの炭素原子の一部を金属に置き換えて、70％以上の強磁性にできる構造を形成し、電子供給機能を持ち、白金やチタンなどの貴金属の置き換えを実現し、水素燃料電池の酸化還元触媒として、コストを大幅に削減でき、高性能水素貯蔵材料としても使用できる。

02

リチウム負極の苦境を打開できる

2015年、劉建宏のチームはグリーンミードから2000万元の戦略的投資を受け、合弁会社「深圳本晶グラフェン技術有限公司」を設立した。

Greenmeadの会長であるXu Kaihuaはメディアのインタビューで、Liu Jianhongについて、"Liu Jianhong教授はグラフェンの分野で強気であり、我々は彼の技術的リーダーシップと技術を産業化する能力について非常に楽観的である "とコメントしています。

徐凱華のビジョンは毒々しく、劉建宏の独創的なイノベーションへの献身は彼の骨に刻まれており、それがグラフェンの技術研究と応用を深く探求する原動力となった。

酸化金属と複合化した液体台形分子では、酸化銅が酸化第一銅に還元されるように制御できるなど、金属の還元を異なる段階に制御することさえ可能であることを、劉建宏は発見した。 Jianhong Liuは、中間酸化物の状態は一般に非常に不安定で、空気に触れると高酸化状態に戻ってしまうが、グラフェンの保護により、中間酸化物の状態で非常に安定した状態にすることができると説明した。

グラフェンでコーティングされた酸化第一銅や酸化マンガンは、優れた海中生活密着性を持ち、海中生活密着効果が長期間持続する船舶用防汚塗料に使用することができる。 劉建宏は、早くも2006年に、中国科学院の学者である呉起と共同で、国家863プロジェクトの資金で、船舶の耐海生付着性に関する研究を実施したことがあります。

"海生生物の付着防止のための中国独自の素材です。" と、劉建宏は大国志に誇らしげに語った。

グラフェンは、熱的・電気的特性も優れている。 中国の新エネルギー車開発元年である2008年、劉建宏はカナダ王立科学アカデミー会員の孫学良教授と共同で、液相オリゴマー合成による単原子層グラフェンのリチウムイオン電池への応用に関する研究を行った。

Liu Jianhong氏のチームは、まず電池の正極と負極から始めることにした。 市販の負極材料は通常グラファイトである。Jianhong Liuは、グラファイトの表面を1原子層のグラフェンで覆えば、一連の驚くべき効果が得られることを発見した。

リチウム電池の正極材は、大電流充電によって、家の柱に相当する正極からリチウムイオンがあっという間に奪われ、いったん奪われると正極の崩壊が生じ、リチウム電池にダメージを与える。 正極材にグラフェンをドーピングしてコーティングすることで、正極材の構造を安定させることができます。

リチウムイオン電池の正極材は、大電流充電や低温放電を行うとリチウムデンドライトが発生しやすく、電池が短絡して燃焼や爆発を引き起こすことが重要な課題となっている。 黒鉛負極にグラフェンをコーティングすることで、リチウム原子はグラフェン表面に優先的に結合し、黒鉛層セグメント構造に挿入されるため、リチウムデンドライトの発生を回避することができます。

また、電池の抵抗が減少し、直流フル充電時の内部抵抗が20％～40％減少するため、充放電時の発熱を抑えることができます。

電池内部では、グラフェンが存在することで構造的に安定し、部分的に膨張・収縮を制御することができます。 シリコン-カーボン正極材料へのグラフェンの応用は、Jianhong Liuを興奮させる結果をもたらした。 従来のシリコンと炭素の正極では、負極にリチウム原子を充填すると、シリコンは300％、グラファイトは20〜30％膨張し、いずれも強い内部応力を形成しやすく、70〜80サイクル以上行うと、シリコンと炭素の負極の表面が崩壊する。 グラフェンコーティングされたシリコンナノ粒子を使用することで、膨張や内部応力を効果的に低減することができます。

正極材料、特に三元正極材料は、その構造が層状であり、リチウム原子は層間に隠れており、充電時にリチウム原子が逃げるが、すべてのリチウム原子が逃げると、崩壊現象につながる、グラフェンは、平面台形分子の形で三元層状構造に挿入でき、表面と金属ニッケル、コバルト複合体はニッケルカーバイド、コバルトカーバイドを形成し、三元材料構造の安定を実現し、極片のインピーダンス グラフェンを三元構造に挿入し、表面に炭化ニッケル、炭化コバルトを形成することができます。

リチウム電池におけるグラフェンの優れた性能から、劉建宏は産業化に向けた計画を構想している。

03

新エネルギー産業発展の風を受け止める

"私は人生をかけてグラフェンをやっていると言える"。 劉建宏は『大紀元』にそう冗談を言った。

その献身的な努力は、技術的な進歩にもつながっている。 グラフェンをコーティングした正負の電極材料は、輸入して応用すれば、電池技術にアップグレードをもたらすだろう。 劉建宏の分析によると、まず、安全性能の向上、内部応力の低減、自然発火や自己発火の回避、次に、電池の急速充放電能力の向上、リチウムデンドライトの発生を回避し、リチウム電池の損傷、さらに、電池の低温性能、「マイナス40度でソフトパック積層電池の放電率76%-80%の室温放電に到達することを実現した。 80%."

コスト面では、Liu Jianhongは、液相オリゴマーから合成されたグラフェンのコストは高くはないという。 オリゴマー台形分子を電池電極と複合化した後、高温焼結リンクのコストは低く、リチウムのコストを上げることはない。

大学の研究室で突破した技術だが、劉建宏はこれと工業の組み合わせには限界があると考えている。2015年、グリーンマックスから投資を受けた後、劉建宏はエンジニアリングアタックを開始した。

"研究室から工業化まで、その間にやるべきことはたくさんある" 劉建宏は大国志に、黒鉛負極を例にとると、天然黒鉛と人造黒鉛の種類があり、グラフェン台形分子が材料表面と強固に結合できるように、初期段階で原料の詳細な構造標準研究を行わなければならない、と振り返る。

新エネルギー自動車用の電池材料の導入の場合、その検証プロセスは非常に複雑です。 "お客さまが新製品を理解するには、長いプロセスが必要です" 製品・プロセスの検証から安定性の検証まで、1つの製品を発売するのに10～15年かかると言われています。 "30代でグラフェンの研究とその応用を始めてから、現在58歳で、ほとんど引退状態です。" と、劉建宏は嘆いた。

厚かましくも、研究と成果の産業化のライフサイクルを高く把握している劉建宏の期待も含まれている。

2021年末、徐凱華が本真式にやってきて、劉建宏に「大規模なエンジニアリングの機は熟している」と告げた。 これに劉建宏は興奮し、ハラハラした。

2022年深セン国際グラフェンフォーラムで「大国」の取材を受けた時、劉建宏は湖北省京門市から深センに戻ったばかりだった。 昨年11月、奔政方程式と他の5社が共同で京門市にグラフェン被覆黒鉛陽極材の生産基地（1万トン）を投資していたことが判明した。

昨年末、本正方位はまた別の大株主であるCNNCチタンホワイトを紹介し、そこから7500万ドルの投資を受け入れるという大きなイベントを完成させた。

今年は、深圳市平山に、グラム容量1,300、初回放電効率90％以上、1Cサイクル1,000回転のグラフェンコーティングシリコン負極の生産ラインを建設し、現在バッチ試験生産中である。

グラフェン技術を軸に、新エネルギー産業向けに、劉建宏は技術レイアウトマップを描いている。 電力用電池の正極材と負極材、太陽光発電用のグラフェン銅ペースト、グラフェン電気化学水素貯蔵などだ。

"グラフェンチームが一緒に事業を始めて、今まで辛抱強くやってきたが、ここにきて光が見えてきた。 新エネルギー産業を支援するという国の政策にも追いつき、風前の灯となりました。" 劉建宏は、「今こそ本正方位が再び大活躍するときだ」と期待している。