中國(guó)粉體網(wǎng)訊 石墨烯與富勒烯、碳納米管、金剛石一起構(gòu)筑起碳從零維到三維的完整的同素異形體。目前，在汽車領(lǐng)域，作為其同胞兄弟的碳納米管已經(jīng)顯示出誘人的應(yīng)用前景，雖然石墨烯及其復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用還比較少，但科學(xué)家們正在努力研究其在汽車領(lǐng)域方面的應(yīng)用。
汽車儲(chǔ)能領(lǐng)域：
電源、電控、電機(jī)是純電動(dòng)汽車的三大系統(tǒng)。目前，作為電源的儲(chǔ)能裝置主要有鋰離子動(dòng)力電池、超級(jí)電容器和燃料電池，三者均要求其電極材料具備大的比表面積、高的導(dǎo)電性和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，這為石墨烯的運(yùn)用提供了廣闊空間。
石墨烯在汽車電池中的應(yīng)用：
石墨烯是一類具有應(yīng)用前景的鋰離子電池負(fù)極材料，已經(jīng)運(yùn)用到汽車電池研究領(lǐng)域，西班牙一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的Graphenano 公司同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。石墨烯聚合材料電池的成本將比鋰電池低77%，重量也僅為傳統(tǒng)電池的一半。
2015年上半年，山東玉皇新能源科技有限公司搭建起了第一條新型電池生產(chǎn)線，這款快充型鋰電動(dòng)力電池最大的特點(diǎn)就是加入了石墨烯, 將電芯內(nèi)阻減小到最小，有效地解決了阻礙鋰電池產(chǎn)品快速充電的技術(shù)瓶頸，同時(shí)大大延長(zhǎng)了電池壽命。目前已經(jīng)投產(chǎn)，主打物流車和觀光車市場(chǎng)一塊加入石墨烯的“超能”電池，30分鐘可充電至最大容量，配備在新能源汽車上續(xù)航里程最高可達(dá)400公里，并且電池重量大大減輕。
石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用：
所謂超級(jí)電容，是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。由于其容量很大，對(duì)外表現(xiàn)和電池相同，因此也有稱作“電容電池”。作為儲(chǔ)能器件的一種，超級(jí)電容器在充放電過(guò)程中釋放的能量巨大，但功率卻只有同重量普通電容器的十分之一。由于超級(jí)電容器充放電過(guò)程是物理變化，與化學(xué)變化的鋰電池充放電過(guò)程相比，超級(jí)電容器可以快成快放，不用擔(dān)心損傷電池。因此業(yè)界專家認(rèn)為其以上優(yōu)勢(shì)可以取代鋰電池成功搭載在新能源汽車中。
石墨烯在儲(chǔ)氫材料中的應(yīng)用：
在燃料電池領(lǐng)域，氫燃料是未來(lái)發(fā)展的方向。氫能源在汽車上的應(yīng)用研究發(fā)展很快，通用汽車已推出的第三代燃料電池汽車，車速每小時(shí)已可達(dá)160km/h，續(xù)航里程400km。儲(chǔ)氫材料的納米化是提高儲(chǔ)氫能力的一個(gè)重要方向。目前，用于儲(chǔ)氫的材料，如鑭鎳系稀土、鎂系合金等，價(jià)格非常昂貴。而石墨烯因具有納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)成本相對(duì)較低，是儲(chǔ)氫材料的較好選擇。
目前，有關(guān)石墨烯儲(chǔ)氫的實(shí)際研究結(jié)果與理論容量仍有一定距離。探索不同的石墨烯制備工藝，對(duì)石墨烯進(jìn)行有效摻雜復(fù)合是以后石墨烯基儲(chǔ)氫材料研究的重要方向。
汽車輕量化材料：
汽車輕量化是節(jié)能減排的一個(gè)重要方向。研究表明，在不降低汽車剛性和碰撞性能的前提下，重量減輕10%，油耗將相應(yīng)減少6%-8%。哥倫比亞大學(xué)James等測(cè)得石墨烯的強(qiáng)度是世界上最好鋼強(qiáng)度100倍，利用原子顯微鏡測(cè)量石墨烯的力學(xué)性能，其楊氏模量可達(dá)0.5TPa，彈性系數(shù)為105N/m。
因?yàn)榱己玫牧W(xué)性能，加之低密度，使石墨烯可作為提高材料力學(xué)性能的增強(qiáng)相，廣泛應(yīng)用于車用輕質(zhì)復(fù)合材料的開發(fā)。
車用功能復(fù)合材料：
電加熱座椅：
電加熱座椅是體現(xiàn)一輛汽車檔次的必備裝置之一。石墨烯的導(dǎo)熱性，相對(duì)于碳納米管來(lái)說(shuō)更加優(yōu)秀，深圳市匯北川電子技術(shù)有限公司將石墨烯作為增強(qiáng)材料加入聚苯乙烯中，得到的是強(qiáng)度更高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能更好、重量卻更輕的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料比原本聚合物基體的導(dǎo)熱系數(shù)高出4倍，而石墨烯獨(dú)有的超二維納米結(jié)構(gòu)，可以保證熱量在加熱區(qū)域內(nèi)均勻釋放。將石墨烯運(yùn)用在汽車智能加熱坐墊上，讓坐墊受熱更加快速、均勻、安全，給汽車用戶們帶來(lái)了更體貼、溫暖的座駕感受。圖1為汽車智能加熱坐墊。
車身涂裝領(lǐng)域：
石墨烯的高疏水性以及獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，可以將其運(yùn)用于車用涂料領(lǐng)域，提高防腐效果。青島格瑞烯金屬防護(hù)科技有限公司開發(fā)出環(huán)保型金屬防腐前處理新材料—界膜劑。
該界膜劑利用環(huán)境友好型的植酸(植物提取物)基化合物易于在金屬表面自組裝成膜的特點(diǎn)，經(jīng)改性處理后再輔以適當(dāng)?shù)拇呋瘎�、鈍化劑、緩蝕劑、絡(luò)合劑以及改性石墨烯納米添加劑，生產(chǎn)出自組裝金屬界膜劑，該產(chǎn)品的濃縮液經(jīng)稀釋后可直接替代磷化液，在經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的浸泡或噴淋工藝處理后即可在各類鋼材表面形成一層植酸基自組裝緩蝕界面膜。
與傳統(tǒng)磷化膜相比，該界面膜不僅耐腐蝕性能好，而且與金屬外涂裝層之間的結(jié)合力也顯著增強(qiáng)，且產(chǎn)品的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)磷化液，可完全替代磷化液，從而解決金屬制品行業(yè)磷污染的問(wèn)題。
石墨烯潤(rùn)滑油：
石墨烯作為新型潤(rùn)滑添加材料具有優(yōu)秀的機(jī)械性能，可在摩擦副表面吸附上一層石墨烯保護(hù)膜，具有高效的防磨抗磨的性能：
①超強(qiáng)的自修復(fù)性能：石墨烯納米微�？商畛淠p微孔、劃痕，對(duì)摩擦副表面進(jìn)行修復(fù)功能;
②形成強(qiáng)效的潤(rùn)滑保護(hù)膜：石墨烯納米微粒在摩擦表面形成“滾珠軸承”，具有自潤(rùn)滑性能;
③石墨烯納米微粒對(duì)摩擦副凹凸表面起填充作用，摩擦化學(xué)反應(yīng)在摩擦副間形成了穩(wěn)定的第三體，增加抗磨性能;
④石墨烯納米微粒優(yōu)異的清潔分散性能，可使油品迅速擴(kuò)散成膜;
⑤獨(dú)有的分水性能，有效防止乳化;
⑥優(yōu)秀的抗氧化性、散熱性，有效延長(zhǎng)油品使用周期。
目前開發(fā)的石墨烯潤(rùn)滑油有船用潤(rùn)滑油系列和車用潤(rùn)滑油系列，其中車用潤(rùn)滑油系列產(chǎn)品主要包括汽油發(fā)動(dòng)機(jī)油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油、燃?xì)鈾C(jī)油、裝甲車潤(rùn)滑油等。
汽車電路：
目前，電路技術(shù)所用硅晶體管尺寸已經(jīng)接近了相關(guān)物理定律極限，在尺寸方面難有更大突破。研究表明，與硅相比，電子在石墨烯內(nèi)移動(dòng)阻力更小，消耗能量更少;同時(shí)，基于石墨烯的晶體管尺寸可以更小，從而可實(shí)現(xiàn)更高的集成度。
因此，石墨烯被稱之為后摩爾時(shí)代取代硅的微電子材料。隨著技術(shù)的成熟，基于石墨烯的電路完全可以用于汽車。
車用導(dǎo)電功能塑料：
在汽車燃油供給系統(tǒng)中，以快速紊流方式流動(dòng)的燃油能產(chǎn)生靜電，用于燃油供給系統(tǒng)的部件(包括郵箱，油管接頭，過(guò)濾器等)需要其導(dǎo)電率能阻止靜電堆積，消除火花、爆炸等危險(xiǎn)。
目前，以碳納米管作為添加劑的導(dǎo)電塑料已成為應(yīng)用于汽車燃油供給系統(tǒng)。石墨烯具備與碳納米管相媲美的導(dǎo)電性能，且制備成本更低，完全可以用于導(dǎo)電功能塑料領(lǐng)域�；谑┑膶�(dǎo)電功能塑料還可以運(yùn)用于汽車擋泥板、門把手、鏡盒等方面，方便車身的靜電噴涂，省去了相對(duì)于非導(dǎo)電性塑料在靜電噴涂前需要進(jìn)行的表面導(dǎo)電化處理。
汽車輪胎上的應(yīng)用：
石墨烯作為橡膠填料生產(chǎn)汽車輪胎，可代替炭黑(CB)、白炭黑(SiO2)、碳納米管(CNT)等，增強(qiáng)橡膠的拉伸強(qiáng)度、彈性和熱導(dǎo)率。石墨烯靜電輪胎導(dǎo)電率達(dá)到10-3S/m，通過(guò)輪胎與金屬輪轂嵌合，由輪面接地時(shí)段導(dǎo)出車體靜電，特別是易燃易爆品運(yùn)輸車使用該輪胎，在輪胎3-5年的使用壽命內(nèi)可靠消除靜電危害，杜絕靜電災(zāi)難。
汽車夜視功能：
新型石墨烯材料出現(xiàn)，未來(lái)汽車可能有夜視功能。最近，麻省理工大學(xué)的研究人員研究出了一種全新的石墨烯半導(dǎo)體材料，有望被用在汽車的前擋風(fēng)玻璃上，它的作用就是夜視功能。
原理是將石墨烯應(yīng)用到熱成像設(shè)備的芯片中，制成紅外傳感器，目前，這款緊湊型的傳感器已經(jīng)可以探測(cè)到物體的形狀了，但還需要進(jìn)一步提高成像的分辨率,要想這種新型材料真正的實(shí)際應(yīng)用，需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。未來(lái)如果應(yīng)用在汽車前擋風(fēng)玻璃上，那夜晚開車能看到的范圍更廣，也更清晰，或許對(duì)于交通安全也是一大助力。
結(jié)語(yǔ)：
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，“人車生活”的和諧理念逐步為消費(fèi)者所接受，這對(duì)汽車未來(lái)發(fā)展提出更高的要求，而車用新材料的研發(fā)、運(yùn)用將一定程度上助力于這種要求變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。石墨烯作為一種在力學(xué)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等方面性能優(yōu)良的新型輕質(zhì)材料，其在汽車領(lǐng)域已顯示了誘人的前景，但距離真正走到應(yīng)用領(lǐng)域還有一段很長(zhǎng)的路，同時(shí)存在許多尚未解決的問(wèn)題，相信隨著技術(shù)的進(jìn)步以及石墨烯更多性能的挖掘，其在汽車中的應(yīng)用前景更加廣闊。汽車界人士一定要努力搞好跨界合作，推動(dòng)石墨烯盡多的在汽車產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用。
