鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：721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(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)樽睢Ｔ谶@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(biāo)準(zhǔn)
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(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&TImes;105cm2/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5000W/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2630m2/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通活性炭的比表面積。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
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。
石墨烯電池那么火，一篇文章全面讀懂石墨烯
石墨烯制備方法對(duì)比
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，其大量能量無法快速接收或釋放（即無法實(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ModelS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?3kWh提高到了70kWh。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(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，因而充放電速率非常快，可以在幾秒內(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。
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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)太陽能電池的需求會(huì)大幅提升。目前太陽能電池、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)在的太陽能電池對(duì)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(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。
石墨烯電池那么火，一篇文章全面讀懂石墨烯
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特種致石墨烯價(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。如果將無人駕駛以及太陽能汽車也考慮在內(nèi)，石墨烯無疑會(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)?；瘧?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>
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