石墨烯電池：它真的能顛覆太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)嗎

石墨烯電池：它真的能顛覆太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)嗎

10月29日，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·蓋姆在中國(guó)青島舉行的中國(guó)國(guó)際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)上作為明星受到歡迎，他的名字現(xiàn)在和世界材料石墨烯一樣出名。

作為2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者和石墨烯的第一個(gè)發(fā)現(xiàn)者，當(dāng)他從一家中國(guó)企業(yè)手中接過(guò)一款創(chuàng)新產(chǎn)品——石墨烯護(hù)腰器時(shí)，他的嘴有點(diǎn)嚴(yán)肅，露出了一個(gè)微而有意義的微笑。

石墨烯是世界上最薄、最硬的碳原子單層結(jié)構(gòu)材料。它具有超薄、超輕、超高強(qiáng)度、超強(qiáng)導(dǎo)電性、優(yōu)良的室溫導(dǎo)熱性和透光性，其結(jié)構(gòu)也非常穩(wěn)定，不僅有望使鋰電池效率提高一倍，而且有望在未來(lái)取代硅，制造新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)。

從2004年到2010年，發(fā)現(xiàn)者在實(shí)驗(yàn)室中獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，現(xiàn)在石墨烯工業(yè)正蓬勃發(fā)展。這種代表下一個(gè)時(shí)代的新型通用材料具有無(wú)限的應(yīng)用前景，但其應(yīng)用現(xiàn)狀卻參差不齊。一方面，石墨資源與真正的石墨烯薄膜并不密切相關(guān)，因而受到歡迎。另一方面，簡(jiǎn)單宣傳石墨烯概念的產(chǎn)品層出不窮。

與國(guó)際上從研發(fā)到工業(yè)化的鏈條非常順暢，往往以科技巨頭為主導(dǎo)的情況相比，我國(guó)仍面臨著石墨烯研發(fā)仍局限于高校和科研院所，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的困境，我國(guó)石墨烯的發(fā)展方向是：工業(yè)不僅需要國(guó)家一級(jí)的指導(dǎo)，還需要足夠的時(shí)間和耐心。

10月23日，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平參觀了位于曼徹斯特的曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究所。當(dāng)天上午，中國(guó)公司華為宣布將與美國(guó)大學(xué)合作開發(fā)新一代的ICT高性能技術(shù)，并研究如何應(yīng)用這一技術(shù)。粗加工石墨烯到消費(fèi)電子和移動(dòng)通信設(shè)備。

華為公司創(chuàng)始人任正非以前曾多次談到石墨烯。他提出了石墨烯時(shí)代將顛覆硅時(shí)代的觀點(diǎn)，認(rèn)為石墨烯時(shí)代將顛覆硅時(shí)代。他相信技術(shù)革命將在未來(lái)10到20年內(nèi)爆發(fā)。

石墨烯是由單層碳原子組成的蜂窩點(diǎn)陣二維原子晶體。理論厚度僅為0.34納米。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、力學(xué)性能、高電子遷移率、高比表面積和量子霍爾效應(yīng)。

由于石墨烯具有獨(dú)特的優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，在微電子、物理、能源材料、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域顯示出潛在的應(yīng)用前景，2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Andreigam和Konstantin Novoselov將石墨烯從石墨片中剝離出來(lái)，并將其用于制備石墨薄膜。榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盡管他們使用的方法非常原始，但這一發(fā)現(xiàn)的重要之處在于，它打破了國(guó)際物理中半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的結(jié)論，即無(wú)法獲得穩(wěn)定的石墨烯。事實(shí)上，即使在同一期《自然》雜志上，該雜志也發(fā)表了蓋姆的著名論文、中國(guó)學(xué)者張?jiān)ê鸵晃缓献髡叩挠嘘P(guān)地球物理的文章。阿芬發(fā)表了，但諾貝爾獎(jiǎng)并不支持后者，當(dāng)時(shí)，它被認(rèn)為是國(guó)內(nèi)學(xué)者最接近諾貝爾獎(jiǎng)的時(shí)期。

張?jiān)ê退暮献髡撸约吧w姆的團(tuán)隊(duì)，在2005年領(lǐng)導(dǎo)了石墨烯的全球研究。從那時(shí)起，張?jiān)ǖ墓ぷ髦攸c(diǎn)是石墨烯的制備、電子傳輸特性、掃描隧道能譜和遠(yuǎn)紅外能譜測(cè)量，并一直活躍在該領(lǐng)域的前沿。D.張?jiān)ǜ嬖V財(cái)新說(shuō)，自從他們兩組在石墨烯中發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象以來(lái)，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)顯示出爆炸性的增長(zhǎng)，沒(méi)有飽和的跡象。

公眾每天使用的智能手機(jī)中最關(guān)鍵的部分是一個(gè)非常透明和導(dǎo)電的觸摸屏。石墨烯具有這樣的特性，可以制成這樣的觸摸屏。此外，石墨烯比透明電極材料ITO具有更好的強(qiáng)度和靈活性。

早在2010年，韓國(guó)尚京灣大學(xué)和三星公司的研究人員就生產(chǎn)了由多層石墨烯和聚酯基片組成的透明柔性顯示屏，論文作者、成都大學(xué)教授洪炳喜就提出了他們的方法可以用于制造石墨烯-基于觸摸傳感器和平板顯示器，但他也承認(rèn)當(dāng)時(shí)大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化還為時(shí)過(guò)早。

然而，他的五年發(fā)展卻出乎意料，在10月底青島召開的石墨烯創(chuàng)新大會(huì)上，洪炳喜表示，石墨烯透明電極已廣泛應(yīng)用于各種柔性光電器件，包括觸摸屏傳感器、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）和機(jī)械零件。

石墨烯以其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能，在傳感器、聚合物納米復(fù)合材料、光電功能材料、藥物控釋等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

石墨烯具有較大的比表面積，這使得制造高靈敏度傳感器成為可能。一旦氣體被吸附在石墨烯表面，它的表面電阻就會(huì)改變。然后，與電傳感器檢測(cè)器結(jié)合，石墨烯可以成為一種優(yōu)良的氣體傳感器。

石墨烯的氣體吸附性能也使其成為一種新的儲(chǔ)氫材料，在室溫和安全壓力下能快速可逆地吸收和解吸氫氣，具有較高的熱穩(wěn)定性。

石墨烯具有獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性，是一種良好的藥物載體，科學(xué)家將石墨烯與抗腫瘤藥物反應(yīng)，生成能在人體內(nèi)緩慢釋放藥物的化合物，藥物負(fù)荷遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)藥物載體。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員程慧明表示，石墨烯在清潔能源領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，清潔能源的最大問(wèn)題是穩(wěn)定性和移動(dòng)存儲(chǔ)，主要的存儲(chǔ)方式是超級(jí)電容器和電池，它們需要滿足高能量密度、高功率的需求。石墨烯具有高強(qiáng)度、高可靠性、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，可提高鋰電池電極的導(dǎo)電性，將石墨烯混合物應(yīng)用于鋰電池中，其射程可提高到400多公里。

另一方面，它用于靈活的儲(chǔ)能，未來(lái)靈活的可穿戴設(shè)備，靈活的智能設(shè)備。靈活的顯示器，靈活的能源，包括靈活的鋰電池，靈活的超級(jí)電容器。

蓋姆在接受記者采訪時(shí)表示，他對(duì)全球石墨烯研究和商業(yè)化的速度感到驚訝，幾年后，他和他的同事因2010年發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

人們所知道的最有趣的事情之一是，安德烈根用透明膠帶獲得了諾貝爾石墨烯獎(jiǎng)。事實(shí)上，他們?cè)谟猛该髂z帶獲得石墨烯后，開始開發(fā)機(jī)械化的石墨烯制備方法。2004年，他們成功地用微機(jī)械剝離法制備了單層石墨烯。

這種方法當(dāng)然比較原始，雖然可以得到晶體結(jié)構(gòu)比較完整的石墨烯，但得到的石墨烯尺寸很小，一般在10微米到100微米之間。存在著產(chǎn)量低、成本高的缺點(diǎn)，不能滿足工業(yè)化和大規(guī)模生產(chǎn)的要求。

從那時(shí)起，人們就認(rèn)為石墨烯不一定是用石墨來(lái)制備的，而是通過(guò)使碳原子形成一層薄膜來(lái)制備的?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生。這種方法是將乙烯或乙炔引入反應(yīng)室，并在高溫下分解這些氣體。冷卻后，碳原子沉積在基體表面形成石墨烯。最后，通過(guò)化學(xué)蝕刻去除金屬基底，或通過(guò)線圈到線圈的方法轉(zhuǎn)移到聚合物薄膜上。

CVD雖然能滿足大規(guī)模高質(zhì)量制備石墨烯的要求，但其成本高、工藝復(fù)雜，限制了其在現(xiàn)階段石墨烯制備中的應(yīng)用。

北京大學(xué)納米化學(xué)中心教授彭海林告訴記者，他們發(fā)現(xiàn)三聚氰胺可以用來(lái)預(yù)處理銅箔，以降低銅箔上的凝點(diǎn)，從而形成大的石墨烯薄膜，提高薄膜的透明度、導(dǎo)電性和一致性。然后采用逐卷法將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到聚合物聚酯薄膜上，得到高質(zhì)量的石墨烯薄膜。

如果將金屬納米線封裝在石墨烯與柔性塑料基片之間，在卷對(duì)卷轉(zhuǎn)移過(guò)程中形成復(fù)合導(dǎo)電膜，則可以顯示出優(yōu)異的導(dǎo)電性、透明性、柔韌性、機(jī)械穩(wěn)定性、剝離性和耐化學(xué)腐蝕性。

他們利用石墨烯和銀納米線復(fù)合電極制備了電致變色器件，具有良好的顯色性能、快速的顯色對(duì)應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定的循環(huán)性能，該復(fù)合電極在下一代柔性電子和光電子學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

氧化石墨還原法是目前對(duì)石墨烯膜面積要求不高的地區(qū)最常用的制備石墨烯的方法之一，早在上世紀(jì)中葉就提出了這種方法，目前已被廣泛應(yīng)用，在強(qiáng)氧化劑的作用下，通過(guò)擴(kuò)展SPA形成氧化石墨烯單層。水或有機(jī)溶劑中的石墨層和超聲波處理。氧化石墨烯單層被還原劑還原生成石墨烯。

但石墨烯粉末是該方法得到的主要產(chǎn)物，缺陷多，電性能和機(jī)械性能差，需要用濃硫酸作氧化石墨。工業(yè)廢水的處理是一個(gè)難題。

另一種主要方法是溶劑汽提法。其原理是將少量石墨分散在溶劑中，形成低濃度的分散液。超聲波作用破壞了石墨層間的分子力。此時(shí)，溶劑可以逐層插入石墨層和剝離層制備石墨烯，這種方法不像氧化還原法那樣破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，可以制備出高品質(zhì)的石墨烯。

由于整個(gè)液相剝離過(guò)程沒(méi)有在石墨烯表面引入任何缺陷，為其在微電子、多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的應(yīng)用前景。缺點(diǎn)是產(chǎn)量很低。

可以看出，不同的石墨烯制備技術(shù)對(duì)石墨烯生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樗鼈儾粌H影響石墨烯的尺寸，而且影響質(zhì)量和成本，以及應(yīng)用領(lǐng)域。石墨烯納米片可用于印刷電子、導(dǎo)電油墨、鋰離子等儲(chǔ)能裝置。用化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯具有膨脹性、高導(dǎo)電性和大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，可成功應(yīng)用于高端電子領(lǐng)域。

由于制備方法的巨大差異，石墨烯粉末和CVD薄膜的價(jià)格千差萬(wàn)別，例如一克石墨烯粉末只需要不到10元，而一平方米的石墨烯薄膜需要幾十到幾百元，其重量實(shí)際上不到1毫克。

海通證券資深分析師史毅指出，液相氧化還原法是目前大規(guī)模生產(chǎn)的主要制備方法。制備的石墨烯價(jià)格可降至10元/克以下，大部分成品為粉末和漿狀，可間接形成薄膜，適用于中低端應(yīng)用，可直接用CVD法制備石墨烯薄膜，質(zhì)量較高，性能較好，但價(jià)格昂貴。未來(lái)，如果技術(shù)進(jìn)步和需求放大導(dǎo)致規(guī)模效應(yīng)，預(yù)計(jì)成本將迅速下降。

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