鉅大LARGE | 點擊量：720次 | 2019年04月12日
石墨烯電池那么火，一篇文章全面讀懂石墨烯
每當有一份關于石墨烯的突破性新聞出現時，總能在業內引起一片狂熱之聲，尤以電池領域為最。在這個時候，我們更應該冷靜下來，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成的二維晶體，是英國曼徹斯特大學的安德烈·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，是人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料。正是由于這些優異的物理性能及巨大的應用前景，石墨烯的發現者于2010年獲得了諾貝爾物理學獎。
由于石墨烯特殊的結構，其也表現出許多其它材料不具有的特異性能。
石墨烯電池那么火，一篇文章全面讀懂石墨烯
石墨材料的形成
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.導電性極佳：石墨烯中載流子電子和空穴是連續的，遷移率可以到達1&TImes;105cm2/Vs，電子的傳輸速度達到光速的1/300，大大超過了在一般金屬導體和半導體中的傳導速度，因而其擁有極好的導電性。
2.超高透光率：單層石墨烯在很寬的波長范圍內的吸光度僅為2.3%，也就是單層石墨烯的透光率達到97.7%，遠遠高于透明導電薄膜國際通用標準85%的要求。
3.超高強度：石墨烯被發現是繼碳納米管之后具有最高彈性模量和強度的材料。其強度是世界上最好的鋼強度的100倍，硬度比自然界中最硬的材料金剛石還高，同時又擁有極好的柔韌性，可以隨意彎曲。
4.超高熱導率：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率，自由態的單層石墨烯在室溫下熱導率可以達到5000W/mK，是目前已知的導熱率最高的材料。
5.超大比表面積：由于石墨烯的厚度只有一個碳原子厚，因此單層石墨烯擁有超大的比表面積，可以達到2630m2/g，遠遠大于普通活性炭的比表面積。
如果單看這些屬性，那么石墨烯簡直表現完美。唯一不完美的，在于怎么能夠大量制備。
石墨烯制備技術
石墨烯的出現在科學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“后硅時代”的新潛力材料，旨在應用石墨烯的研發也在全球范圍內急劇增加，美國、韓國，中國、日本等國家的研究尤其活躍。
目前眾多國際大牌廠商如陶氏化學、三星、IBM、華為以及蘋果等都在積極推進石墨烯產業化的研究，從2004年至今，國際上關于石墨烯的專利申請已經達到了幾千項，主要在石墨烯的制備、能源領域的應用、顯示技術方面的應用、石墨烯納米材料以及石墨烯復合材料等方面。但全球范圍內都沒有實施大規模量產的先例，這主要是由于還沒有找到一種適合大規模生產的方法和途徑，同時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。其中最接近實際生產應用的是氣相沉積法。
石墨烯電池那么火，一篇文章全面讀懂石墨烯
石墨烯制備方法對比
石墨烯在汽車行業的潛在應用
石墨烯是一種技術含量非常高、應用潛力非常廣泛的二維碳材料，在眾多行業都具有廣泛甚至是顛覆性的應用前景。而汽車產業又是建立在眾多行業基礎上的一個集成行業，因此石墨烯對于汽車行業也有重要的應用價值和前景。
1.應用于鋰離子電池，大幅縮短充電時間，提升電池容量
目前，全球汽車制造商使用的動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定；磷酸鐵鋰電池最穩定，但能量密度最低。鋰離子電池技術已經沉寂了20年沒有大的技術革新，其最大的障礙在于：鋰離子電池功率密度有限，其大量能量無法快速接收或釋放（即無法實現快充快放）。
石墨烯由于其超大的載流子遷移率，應用于鋰離子電池上，可以大幅降低充電時間；而且由于其穩定性可以提高電池循環穩定性；另外由于超大比表面積還能提升電池容量。
特斯拉升級版的ModelS采用了改進過的鋰電池，新改進的18650型鋰電池的容量大幅度加大，6831節電池組數量沒有增加，但電池組的總容量從53kWh提高到了70kWh。特斯拉沒有確認是否加入了石墨烯，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。
鋰電池傳統制造強國是日本和韓國，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術先機。韓國科學家早在2014年11月就宣布，最新發明的石墨烯超級手機電池，可存儲與傳統電池等量的電量，但充電時間只需16秒。美國倫斯勒理工學院研究人員也預計，石墨烯陽極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽極充電或放電速度快10倍。
2014年12月初，西方媒體報道，西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學合作研發的石墨烯電池，一次充電時間只需8分鐘，可行駛1000公里。如果這一結果屬實，那么毫無疑問電動汽車將完全顛覆傳統汽油汽車，成為汽車的主力軍。
2.表面防護材料
石墨烯結構穩定，耐腐蝕，耐氧化，強度大，并且容易在各種金屬表面生長，可以廣泛應用于金屬材料表面保護。同時由于其導電性和高導熱性，也可廣泛應用于有機材料的保護及防靜電領域。可以想象如果在汽車面板表面鍍上一層石墨烯，再也不用擔心愛車被劃了！
3.代替硅應用于集成電路，助力無人駕駛
硅讓我們進入了電子化時代，多晶硅已經成為半導體行業的基礎原料，被大量用作集成電路的基板。隨著工藝技術的改進，目前硅基芯片的運行速度達到了GHz的級別，但隨著技術的不斷進步，對于計算機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，處理速度達到4-5GHz后就很難再提高，已經逐漸不能滿足人們對速度的要求。在眾多的備選材料中，石墨烯因其超高強度、超高熱導率以及超強導電性而最引人矚目。
使用石墨烯作為基質生產出的處理器能夠達到THz（即1000GHz），IBM已經在2010年研制出運行速度超快的石墨烯晶體管，其最大頻率可以達到230GHz，遠遠超過現在的硅基晶體管運行速度。IBM在2014年7月宣布將再投入30億美元進行包括石墨烯在內的碳芯片技術的研發。石墨烯未來很有可能取代硅成為半導體行業的基礎材料。
無人駕駛技術方興未艾，其需要超強、超快的計算能力，數據存儲、處理系統對集成電路要求非常高，現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應用將會解決這一技術瓶頸，提供強大的算力支持。
4.應用于超級電容器，完美加速
超級電容器是一種新型儲能裝置，與充電電池相比，可進行不限流充電，因而充放電速率非?？?，可以在幾秒內完成充放電過程，同時具有功率高，使用壽命長等特點。將超級電容器與鋰離子電池組合使用可有效解決電動車加速慢的問題。
由于石墨烯比表面積很大，所以以石墨烯為電極的超級電容器具有超高的容量，可以達到上百F/g，遠高于其他材料作為電極的超級電容器，更適合作為動力電池的助力動力源。
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石墨烯在超級電容器中的應用
5.替代ITO制備超高效太陽能電池及可折疊的顯示器
今年7月2號，漢能高調公布了四款運用太陽能作為動力源的概念汽車，如果有朝一日這一想法能夠在汽車領域得到推廣實現，可以想象汽車行業對太陽能電池的需求會大幅提升。目前太陽能電池、顯示器及觸摸屏使用的透明導電材料主要是氧化銦錫（ITO）。但由于ITO對紅外線的透射率實際上也還是比較低，導致現在的太陽能電池對太陽能的利用效率依然比較低；另外，ITO材料的韌性較差，在折疊或是拉伸時會影響顯示的效果。
石墨烯由于其特殊的結構而具有非常高的電導率，同時幾乎透明，對所有波段的光透過率都超高，是一種性能超優異的透明導電材料，因此其被廣泛看好代替ITO。
在太陽能電池領域，日本富士電機在開發上處于領先地位。其得到的石墨烯片的導電率高達ITO的幾倍，并且能夠保證90%的光透射率，已經達到能夠充分滿足性能指標的水平。在顯示器及觸摸屏領域，相比于現在主流的ITO材料，石墨烯擁有更高的強度和更好的韌性，作為透明導電材料，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
汽車室內及尾氣的凈化一直是汽車環保領域考慮的重要問題。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單卻擁有非常優異的性能，其具有高彈性，被壓縮80%之后仍可恢復原狀；同時還具有超快、超高的吸附力，是迄今吸油能力最強的材料。其可以廣泛應用于空氣凈化、催化載體等領域，對汽車室內空氣凈化以及尾氣催化還原具有重要意義。
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石墨烯氣凝膠立于桃花花蕊上
小結：長路漫漫，喧囂中期待未來
現在除去機械剝離法其他工藝制備得到的石墨烯均達不到一致性的品質，而機械剝離法效率極低，因此現有的合成技術都不能適應工業化應用。也正是制備工藝方面的限特種致石墨烯價格依然較貴，所有關于石墨烯的應用都還是實驗室研究階段。對于石墨烯應用，待到制備工藝成熟，將其成本降到可以商業化應用的水平，再將其實際應用、產業化，可謂長路漫漫。
鑒于石墨烯超優異的性能及巨大的應用前景，各國政府和企業都投入大量人力、物力、財力進行關于石墨烯的研究?；蛟S是為了不斷吸引關注和投資，經常有企業宣稱自己做出了非常厲害的石墨烯產品，在筆者看來都不過是現實的喧囂。
但也正是在這喧囂與巨額投入下，石墨烯的研究也確實取得了很多不錯的成果，石墨烯的價格已經在慢慢降低，較大尺寸、較高質量的石墨烯也逐漸研制成功，下游產業鏈也逐漸在嘗試使用石墨烯。
從技術成熟度及需求急迫性而言，其應用于鋰離子電池提高電池充放電效率、電池容量及電池穩定性顯然對汽車特別是電動汽車的發展具有決定性作用。電動汽車要成為主流汽車，石墨烯至關重要。如果將無人駕駛以及太陽能汽車也考慮在內，石墨烯無疑會在汽車領域擁有更廣闊的應用空間。
當然，前景是廣闊的，但現實是冷血的，由于制備工藝的不成熟以及下游產業鏈沒有完全打開，到目前石墨烯依然沒有規模化應用，而要改變這一現狀可能還需要一段時間。相信隨著研究的不斷深入，在將來的某一天，石墨烯的奇點必會到來，那時眾多行業將會發生翻天覆地的變革甚至會被顛覆。
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