石墨烯 - 一起來看“萬能”石墨烯電池的進擊

　　早在2010年，韓國成均館大學和三星公司的研究人員，就制造出由多層石墨烯和聚酯片基底組成的透明可彎曲顯示屏。當時，論文通訊作者、成均館大學教授洪秉熙就提出，他們的方法可用于制造基于石墨烯的太陽能電池、觸摸傳感器和平板顯示器。但他當時也承認，大規(guī)模制造和商業(yè)化還為時尚早。

　　不過，五年來的發(fā)展，也出乎他的意料。在10月底在青島召開的石墨烯創(chuàng)新大會上，洪秉熙介紹說，石墨烯透明電極已經(jīng)廣泛地應用于各種各樣的柔性光電器件，包括觸摸屏傳感器、有機發(fā)光二極管（OLED）和有機光伏器件。

　　由于石墨烯具有優(yōu)異的導熱性能和力學性能，還在傳感器、聚合物納米復合材料、光電功能材料、藥物控制釋放等領域表現(xiàn)出眾多潛在的應用前景。

　　石墨烯擁有較大的比表面積，使其具備了制作高靈敏度傳感器的條件，一旦氣體被吸附于石墨烯表面，其表面電阻就會出現(xiàn)變化，然后結合電傳感檢測器，就可以讓石墨烯成為一種優(yōu)異的氣體傳感器。

　　石墨烯的氣體吸附特性，也讓其成為新型儲氫材料，可以在室溫、安全壓力下快速可逆地吸放氫氣，較高的熱穩(wěn)定性。

　　石墨烯獨特的二維層狀結構和良好的生物相容性，使其能很好地作為藥物載體?？茖W家將石墨烯與抗腫瘤藥物反應制得復合物，可在人體內緩慢釋放藥物，而且藥物的負載量遠遠高于傳統(tǒng)的藥物載體。

　　據(jù)中科院金屬所研究員成會明介紹，在清潔能源領域，石墨烯應用前景廣闊。清潔能源最大問題是穩(wěn)定性和移動存儲難題。存儲方式主要為超級電容和電池，都需要滿足高能量密度、高功率密度、高可靠性和長壽命。石墨烯可增加鋰電池電極的導電性。他們將石墨烯混合物應用于鋰電池，其續(xù)航里程可增加到400公里以上。

　　另一方面是用于柔性能量存儲，將來用于柔性可穿戴設備，柔性智能設備?！耙嵝燥@示，也要柔性能源，包括柔性鋰電池、柔性超級電容?！?/p>

　　在接受記者專訪時，蓋姆頗為感慨地表示，自2010年他與同事因發(fā)現(xiàn)石墨烯共獲諾貝爾物理學獎之后，短短幾年間全球石墨烯研發(fā)及商業(yè)化的速度令他十分驚詫。

　　制備難題

　　人們耳熟能詳?shù)娜な拢前驳铝摇どw姆用透明膠帶得到了石墨烯，并因此獲得了諾貝爾獎。實際上，在用透明膠帶得到石墨烯后，他們就開始研發(fā)機械化的石墨烯制備方法。2004年，他們成功用微機械剝離法制備出單層石墨烯。

　　這種方法當然是比較原始的。雖然可以獲得晶體結構比較完整的石墨烯，但得到的石墨烯尺寸很小，一般在10微米-100微米之間，存在產(chǎn)率低和成本高的不足，不能滿足工業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)要求。

　　此后，人們想到制備石墨烯未必要使用石墨，只需要設法讓碳原子結成一層薄膜?；瘜W氣相沉積法（CVD）應運而生，這種方法是將乙烯或乙炔等氣體導入到一個反應腔內，讓這些氣體在高溫下分解，經(jīng)過冷卻后，碳原子就沉積在基底表面形成石墨烯，最后用化學腐蝕法除去金屬基底，或用卷對卷的方法將其轉移到高分子薄膜上。

　　雖然CVD能滿足規(guī)模化制備大面積、高質量的石墨烯要求，但在現(xiàn)階段由于其成本較高和工藝復雜等缺點，限制了這種方法在石墨烯制備中的應用。

　　北京大學納米化學中心教授彭海琳對記者介紹，他們發(fā)現(xiàn)可以用三聚氰胺對銅箔進行預處理，減少銅箔上的凝結點，這樣就可以形成大片的石墨烯薄膜，提高薄膜的透光性、導電性和一致性，而后通過卷對卷的方法，把石墨烯薄膜轉移到高分子PET薄膜上，就可以得到高質量的石墨烯薄膜。

　　如果在卷對卷轉移的過程中，將金屬納米導線封裝在石墨烯和柔性塑料基底之間，做成復合導電薄膜，可以顯示出優(yōu)異導電性、透光性，且具有優(yōu)異的柔性、機械穩(wěn)定性、抗剝離性能和抗化學腐蝕性能。

　　他們采用石墨烯和銀納米線復合電極，制備了電致變色器件，具有良好的變色性能、快速的變色相應時間和穩(wěn)定的循環(huán)性能。這種復合電極在下一代柔性電子和光電子領域，有重大的潛在應用價值。

　　在對石墨烯的薄膜面積沒有過高要求的領域，氧化石墨還原法是制備石墨烯最常用的方法之一。這種方法早在上世紀中葉就被提出，并被一直沿用至今。在強氧化劑作用下，擴張石墨層間距，經(jīng)在水溶液或有機溶劑中超聲處理后形成均勻分散的單層氧化石墨烯，再利用還原劑還原氧化基團制得石墨烯。

　　但這種方法得到的，主要是石墨烯粉體。缺陷非常多，電學、力學性能都較差，而且需要用濃硫酸氧化石墨，其工業(yè)上廢液的處理是一個難題。

　　還有一種主要方法——溶劑剝離法，原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的分子作用力，此時溶劑可以插入石墨層間，進行層層剝離，制備出石墨烯。此方法不會像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結構，可以制備高質量的石墨烯。

　　由于整個液相剝離的過程沒有在石墨烯的表面引入任何缺陷，為其在微電子學、多功能復合材料等領域的應用提供了廣闊的應用前景，缺點是產(chǎn)率很低。

　　可見，不同的石墨烯制備技術對于石墨烯制造商至關重要，因為它不僅影響石墨烯大小，更影響到質量和成本，以及應用領域。石墨烯納米薄片，可應用于印刷電子、導電油墨、鋰離子電池和超級電容器等能量存儲裝置。CVD制備的石墨烯，具有可擴展性、高電導性，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。它可以成功地應用于高端電子應用。

　　由于制備方法上巨大的差異，石墨烯粉體和CVD薄膜之間的價格也要相差上千倍。例如1克石墨烯粉體只需要不到10元，而1平方米石墨烯薄膜要幾十元到上百元，其重量其實不到1毫克。

　　在業(yè)內專家看來，石墨烯的主要挑戰(zhàn)是要同時滿足兩個條件：低成本和高質量。

　　海通證券高級分析師施毅指出，目前液相氧化還原法是量產(chǎn)的主要制備方法，制備的石墨烯價格可降至10元/克以下，成品多為粉材、漿料，可間接成膜，適合中低端應用。CVD方法可直接制備石墨烯薄膜，質量更高，性能更好，但價格非常昂貴，未來若技術進步、需求放大帶動規(guī)模效應，成本有望快速降低。