中國粉體網(wǎng)訊 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(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。
由于石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，其也表現(xiàn)出許多其他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1×105 cm2/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(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：單層石墨烯在很寬的波長范圍內(nèi)的吸光度僅為2.3%，也就是單層石墨烯的透光率達到97.7%，遠遠高于透明導(dǎo)電薄膜國際通用標(biāo)準(zhǔn)85%的要求。
3.超高強度：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(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碳原子厚，因此單層石墨烯擁有超大的比表面積，可以達到2630 m2/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(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、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(xué)、三星、IBM以及蘋果等都在積極推進石墨烯產(chǎn)業(yè)化的研究，從2004年至今，國際上關(guān)于石墨烯的專利申請已經(jīng)達到了幾千項，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(chǎn)應(yīng)用的是氣相沉積法。
石墨烯制備方法對比
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)上的一個集成行業(yè)，因此石墨烯對于汽車行業(yè)也有重要的應(yīng)用價值和前景。
1.應(yīng)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(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。
特斯拉升級版的Model S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(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)制造強國是日本和韓國，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機。韓國科學(xué)家早在2014年11月就宣布，最新發(fā)明的石墨烯超級手機電池，可存儲與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時間只需16秒。美國倫斯勒理工學(xué)院研究人員也預(yù)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(xué)合作研發(fā)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(jié)果屬實，那么毫無疑問電動汽車將完全顛覆傳統(tǒng)汽油汽車，成為汽車的主力軍。
2.表面防護材料
石墨烯結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yīng)用于金屬材料表面保護。同時由于其導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性，也可廣泛應(yīng)用于有機材料的保護及防靜電領(lǐng)域�？梢韵胂笕绻谄嚸姘灞砻驽兩弦粚邮僖膊挥脫�(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
硅讓我們進入了電子化時代，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，目前硅基芯片的運行速度達到了GHz的級別，但隨著技術(shù)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(jīng)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(dǎo)率以及超強導(dǎo)電性而最引人矚目。
使用石墨烯作為基質(zhì)生產(chǎn)出的處理器能夠達到THz（即1000GHz），IBM已經(jīng)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(xiàn)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(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、超快的計算能力，數(shù)據(jù)存儲、處理系統(tǒng)對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)用將會解決這一技術(shù)瓶頸，提供強大的算力支持。
4.應(yīng)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(nèi)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。
石墨烯在超級電容器中的應(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，漢能高調(diào)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(lǐng)域得到推廣實現(xiàn)，可以想象汽車行業(yè)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(dǎo)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(dǎo)致現(xiàn)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(jié)構(gòu)而具有非常高的電導(dǎo)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(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ITO的幾倍，并且能夠保證90%的光透射率，已經(jīng)達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(yīng)用于空氣凈化、催化載體等領(lǐng)域，對汽車室內(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)：長路漫漫，喧囂中期待未來
雖然經(jīng)過十余年的高速發(fā)展，關(guān)于石墨烯的研究已經(jīng)取得了巨大的成就，但到目前也還是沒有一個真正的石墨烯產(chǎn)品得到應(yīng)用，制備石墨烯的技術(shù)工藝也不成熟，即便是最接近實用的CVD法制備的石墨烯膜面積依然不夠大、而且質(zhì)量達不到透明導(dǎo)電膜的需求。
現(xiàn)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(zhì)，而機械剝離法效率極低，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)致石墨烯價格依然較貴，所有關(guān)于石墨烯的應(yīng)用都還是實驗室研究階段。對于石墨烯應(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，再將其實際應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化，可謂長路漫漫。
鑒于石墨烯超優(yōu)異的性能及巨大的應(yīng)用前景，各國政府和企業(yè)都投入大量人力、物力、財力進行關(guān)于石墨烯的研究。或許是為了不斷吸引關(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(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)定性顯然對汽車特別是電動汽車的發(fā)展具有決定性作用。電動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(yè)將會發(fā)生翻天覆地的變革甚至?xí)活嵏病?/p>
