石墨烯電池那么火，一篇文章全面讀懂石墨烯

　　每當(dāng)有一份關(guān)于石墨烯的突破性新聞出現(xiàn)時(shí)，總能在業(yè)內(nèi)引起一片狂熱之聲，尤以電池領(lǐng)域?yàn)樽?。在這個(gè)時(shí)候，我們更應(yīng)該冷靜下來，知道石墨烯是什么、究竟能有什么效果，以及它目前面臨的最大問題。

　　石墨烯是一種由碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維晶體，是英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授率先于2004年通過一種簡(jiǎn)單的方法從石墨中剝離得到了單層石墨烯。在目前得到的二維材料里，石墨烯厚度最薄、比表面積較大，是人類已知強(qiáng)度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。正是由于這些優(yōu)異的物理性能及巨大的應(yīng)用前景，石墨烯的發(fā)現(xiàn)者于2010年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　由于石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，其也表現(xiàn)出許多其它材料不具有的特異性能。

　　石墨材料的形成

　　1.導(dǎo)電性極佳：石墨烯中載流子電子和空穴是連續(xù)的，遷移率可以到達(dá)1×105 cm2/Vs，電子的傳輸速度達(dá)到光速的1/300，大大超過了在一般金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體中的傳導(dǎo)速度，因而其擁有極好的導(dǎo)電性。

　　2.超高透光率：?jiǎn)螌邮┰诤軐挼牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)的吸光度僅為2.3%，也就是單層石墨烯的透光率達(dá)到97.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于透明導(dǎo)電薄膜國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)85%的要求。

　　3.超高強(qiáng)度：石墨烯被發(fā)現(xiàn)是繼碳納米管之后具有最高彈性模量和強(qiáng)度的材料。其強(qiáng)度是世界上最好的鋼強(qiáng)度的100倍，硬度比自然界中最硬的材料金剛石還高，同時(shí)又擁有極好的柔韌性，可以隨意彎曲。

　　4.超高熱導(dǎo)率：和石墨、金剛石和碳納米管相似，石墨烯也擁有非常高的熱導(dǎo)率，自由態(tài)的單層石墨烯在室溫下熱導(dǎo)率可以達(dá)到5000 W/mK，是目前已知的導(dǎo)熱率最高的材料。

　　5.超大比表面積：由于石墨烯的厚度只有一個(gè)碳原子厚，因此單層石墨烯擁有超大的比表面積，可以達(dá)到2630 m2/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通活性炭的比表面積。

　　如果單看這些屬性，那么石墨烯簡(jiǎn)直表現(xiàn)完美。唯一不完美的，在于怎么能夠大量制備。

　　石墨烯制備技術(shù)

　　石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，從2006年開始，研究論文急劇增加，作為形成納米尺寸晶體管和電路的“后硅時(shí)代”的新潛力材料，旨在應(yīng)用石墨烯的研發(fā)也在全球范圍內(nèi)急劇增加，美國(guó)、韓國(guó)，中國(guó)、日本等國(guó)家的研究尤其活躍。

　　目前眾多國(guó)際大牌廠商如陶氏化學(xué)、三星、IBM、華為以及蘋果等都在積極推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化的研究，從2004年至今，國(guó)際上關(guān)于石墨烯的專利申請(qǐng)已經(jīng)達(dá)到了幾千項(xiàng)，主要在石墨烯的制備、能源領(lǐng)域的應(yīng)用、顯示技術(shù)方面的應(yīng)用、石墨烯納米材料以及石墨烯復(fù)合材料等方面。但全球范圍內(nèi)都沒有實(shí)施大規(guī)模量產(chǎn)的先例，這主要是由于還沒有找到一種適合大規(guī)模生產(chǎn)的方法和途徑，同時(shí)這也是石墨烯成本一直居高不下的原因。

　　目前石墨烯主要的制造方法包括五種，分別是：機(jī)械剝離法、氣相沉積法（CVD法）、SiC熱分解法、氧化還原法等。其中最接近實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的是氣相沉積法。

　　石墨烯制備方法對(duì)比

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　　石墨烯在汽車行業(yè)的潛在應(yīng)用

　　石墨烯是一種技術(shù)含量非常高、應(yīng)用潛力非常廣泛的二維碳材料，在眾多行業(yè)都具有廣泛甚至是顛覆性的應(yīng)用前景。而汽車產(chǎn)業(yè)又是建立在眾多行業(yè)基礎(chǔ)上的一個(gè)集成行業(yè)，因此石墨烯對(duì)于汽車行業(yè)也有重要的應(yīng)用價(jià)值和前景。

　　1.應(yīng)用于鋰離子電池，大幅縮短充電時(shí)間，提升電池容量

　　目前，全球汽車制造商使用的動(dòng)力電池主要使用鋰電池，以特斯拉為代表的鎳鈷鋁酸鋰電池、以比亞迪為代表的磷酸鐵鋰電池和以日本汽車為代表的錳酸鋰。

　　這三類電池以鈷酸鋰電池能量密度最高，但它在高溫下也最不穩(wěn)定；磷酸鐵鋰電池最穩(wěn)定，但能量密度最低。鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)沉寂了20年沒有大的技術(shù)革新，其最大的障礙在于：鋰離子電池功率密度有限，其大量能量無(wú)法快速接收或釋放（即無(wú)法實(shí)現(xiàn)快充快放）。

　　石墨烯由于其超大的載流子遷移率，應(yīng)用于鋰離子電池上，可以大幅降低充電時(shí)間；而且由于其穩(wěn)定性可以提高電池循環(huán)穩(wěn)定性；另外由于超大比表面積還能提升電池容量。

　　特斯拉升級(jí)版的Model S采用了改進(jìn)過的鋰電池，新改進(jìn)的18650型鋰電池的容量大幅度加大，6831節(jié)電池組數(shù)量沒有增加，但電池組的總?cè)萘繌?3 kWh提高到了70 kWh。特斯拉沒有確認(rèn)是否加入了石墨烯，不過，它的性能有如此大幅度的提升，恐怕只有石墨烯能做到。

　　鋰電池傳統(tǒng)制造強(qiáng)國(guó)是日本和韓國(guó)，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機(jī)。韓國(guó)科學(xué)家早在2014年11月就宣布，最新發(fā)明的石墨烯超級(jí)手機(jī)電池，可存儲(chǔ)與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時(shí)間只需16秒。美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院研究人員也預(yù)計(jì)，石墨烯陽(yáng)極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽(yáng)極充電或放電速度快10倍。

　　2014年12月初，西方媒體報(bào)道，西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研發(fā)的石墨烯電池，一次充電時(shí)間只需8分鐘，可行駛1000公里。如果這一結(jié)果屬實(shí)，那么毫無(wú)疑問電動(dòng)汽車將完全顛覆傳統(tǒng)汽油汽車，成為汽車的主力軍。

　　2.表面防護(hù)材料

　　石墨烯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐腐蝕，耐氧化，強(qiáng)度大，并且容易在各種金屬表面生長(zhǎng)，可以廣泛應(yīng)用于金屬材料表面保護(hù)。同時(shí)由于其導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性，也可廣泛應(yīng)用于有機(jī)材料的保護(hù)及防靜電領(lǐng)域?？梢韵胂笕绻谄嚸姘灞砻驽兩弦粚邮?，再也不用擔(dān)心愛車被劃了！

　　3.代替硅應(yīng)用于集成電路，助力無(wú)人駕駛

　　硅讓我們進(jìn)入了電子化時(shí)代，多晶硅已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)原料，被大量用作集成電路的基板。隨著工藝技術(shù)的改進(jìn)，目前硅基芯片的運(yùn)行速度達(dá)到了GHz的級(jí)別，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于計(jì)算機(jī)速度的要求越來越高。

　　然而，硅基芯片受到材料自身性能的限制，處理速度達(dá)到4-5GHz后就很難再提高，已經(jīng)逐漸不能滿足人們對(duì)速度的要求。在眾多的備選材料中，石墨烯因其超高強(qiáng)度、超高熱導(dǎo)率以及超強(qiáng)導(dǎo)電性而最引人矚目。

　　使用石墨烯作為基質(zhì)生產(chǎn)出的處理器能夠達(dá)到THz（即1000GHz），IBM已經(jīng)在2010年研制出運(yùn)行速度超快的石墨烯晶體管，其最大頻率可以達(dá)到230GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)在的硅基晶體管運(yùn)行速度。IBM在2014年7月宣布將再投入30億美元進(jìn)行包括石墨烯在內(nèi)的碳芯片技術(shù)的研發(fā)。石墨烯未來很有可能取代硅成為半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)材料。

　　無(wú)人駕駛技術(shù)方興未艾，其需要超強(qiáng)、超快的計(jì)算能力，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理系統(tǒng)對(duì)集成電路要求非常高，現(xiàn)有的硅基芯片很難完全滿足其需求，而石墨烯基碳芯片的開發(fā)應(yīng)用將會(huì)解決這一技術(shù)瓶頸，提供強(qiáng)大的算力支持。

　　4.應(yīng)用于超級(jí)電容器，完美加速

　　超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能裝置，與充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，因而充放電速率非?？欤梢栽趲酌雰?nèi)完成充放電過程，同時(shí)具有功率高，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。將超級(jí)電容器與鋰離子電池組合使用可有效解決電動(dòng)車加速慢的問題。

　　由于石墨烯比表面積很大，所以以石墨烯為電極的超級(jí)電容器具有超高的容量，可以達(dá)到上百F/g，遠(yuǎn)高于其他材料作為電極的超級(jí)電容器，更適合作為動(dòng)力電池的助力動(dòng)力源。

　　石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

　　5.替代ITO制備超高效太陽(yáng)能電池及可折疊的顯示器

　　今年7月2號(hào)，漢能高調(diào)公布了四款運(yùn)用太陽(yáng)能作為動(dòng)力源的概念汽車，如果有朝一日這一想法能夠在汽車領(lǐng)域得到推廣實(shí)現(xiàn)，可以想象汽車行業(yè)對(duì)太陽(yáng)能電池的需求會(huì)大幅提升。目前太陽(yáng)能電池、顯示器及觸摸屏使用的透明導(dǎo)電材料主要是氧化銦錫（ITO）。但由于ITO對(duì)紅外線的透射率實(shí)際上也還是比較低，導(dǎo)致現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)能的利用效率依然比較低；另外，ITO材料的韌性較差，在折疊或是拉伸時(shí)會(huì)影響顯示的效果。

　　石墨烯由于其特殊的結(jié)構(gòu)而具有非常高的電導(dǎo)率，同時(shí)幾乎透明，對(duì)所有波段的光透過率都超高，是一種性能超優(yōu)異的透明導(dǎo)電材料，因此其被廣泛看好代替ITO。

　　在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，日本富士電機(jī)在開發(fā)上處于領(lǐng)先地位。其得到的石墨烯片的導(dǎo)電率高達(dá)ITO的幾倍，并且能夠保證90%的光透射率，已經(jīng)達(dá)到能夠充分滿足性能指標(biāo)的水平。在顯示器及觸摸屏領(lǐng)域，相比于現(xiàn)在主流的ITO材料，石墨烯擁有更高的強(qiáng)度和更好的韌性，作為透明導(dǎo)電材料，能夠制作成為可以彎曲的顯示器件。

　　6.石墨烯氣凝膠，用于尾氣空氣凈化、催化載體

　　汽車室內(nèi)及尾氣的凈化一直是汽車環(huán)保領(lǐng)域考慮的重要問題。2013年浙大高分子系高超教授課題組制備出了世界上最輕的材料—石墨烯超輕氣凝膠，材料密度僅為0.16mg/cm3。這種材料制備工藝簡(jiǎn)單卻擁有非常優(yōu)異的性能，其具有高彈性，被壓縮80%之后仍可恢復(fù)原狀；同時(shí)還具有超快、超高的吸附力，是迄今吸油能力最強(qiáng)的材料。其可以廣泛應(yīng)用于空氣凈化、催化載體等領(lǐng)域，對(duì)汽車室內(nèi)空氣凈化以及尾氣催化還原具有重要意義。

　　石墨烯氣凝膠立于桃花花蕊上

　　小結(jié)：長(zhǎng)路漫漫，喧囂中期待未來

　　現(xiàn)在除去機(jī)械剝離法其他工藝制備得到的石墨烯均達(dá)不到一致性的品質(zhì)，而機(jī)械剝離法效率極低，因此現(xiàn)有的合成技術(shù)都不能適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用。也正是制備工藝方面的限制導(dǎo)致石墨烯價(jià)格依然較貴，所有關(guān)于石墨烯的應(yīng)用都還是實(shí)驗(yàn)室研究階段。對(duì)于石墨烯應(yīng)用，待到制備工藝成熟，將其成本降到可以商業(yè)化應(yīng)用的水平，再將其實(shí)際應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化，可謂長(zhǎng)路漫漫。

　　鑒于石墨烯超優(yōu)異的性能及巨大的應(yīng)用前景，各國(guó)政府和企業(yè)都投入大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行關(guān)于石墨烯的研究?；蛟S是為了不斷吸引關(guān)注和投資，經(jīng)常有企業(yè)宣稱自己做出了非常厲害的石墨烯產(chǎn)品，在筆者看來都不過是現(xiàn)實(shí)的喧囂。

　　但也正是在這喧囂與巨額投入下，石墨烯的研究也確實(shí)取得了很多不錯(cuò)的成果，石墨烯的價(jià)格已經(jīng)在慢慢降低，較大尺寸、較高質(zhì)量的石墨烯也逐漸研制成功，下游產(chǎn)業(yè)鏈也逐漸在嘗試使用石墨烯。

　　從技術(shù)成熟度及需求急迫性而言，其應(yīng)用于鋰離子電池提高電池充放電效率、電池容量及電池穩(wěn)定性顯然對(duì)汽車特別是電動(dòng)汽車的發(fā)展具有決定性作用。電動(dòng)汽車要成為主流汽車，石墨烯至關(guān)重要。如果將無(wú)人駕駛以及太陽(yáng)能汽車也考慮在內(nèi)，石墨烯無(wú)疑會(huì)在汽車領(lǐng)域擁有更廣闊的應(yīng)用空間。

　　當(dāng)然，前景是廣闊的，但現(xiàn)實(shí)是冷血的，由于制備工藝的不成熟以及下游產(chǎn)業(yè)鏈沒有完全打開，到目前石墨烯依然沒有規(guī)模化應(yīng)用，而要改變這一現(xiàn)狀可能還需要一段時(shí)間。相信隨著研究的不斷深入，在將來的某一天，石墨烯的奇點(diǎn)必會(huì)到來，那時(shí)眾多行業(yè)將會(huì)發(fā)生翻天覆地的變革甚至?xí)活嵏病?/p>