石墨烯材料的優(yōu)點(diǎn)

    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)1×105 cm2/Vs，電子的傳輸速度達(dá)到光速的1/300，大大超過(guò)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(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(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2630 m2/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(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(kāi)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。

    現(xiàn)有制法還不能滿足石墨烯產(chǎn)業(yè)化的要求。包括微機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉淀CVD法和氧化石墨還原法在內(nèi)的眾多制備方法目前仍不能滿足產(chǎn)業(yè)化的要求。特別是產(chǎn)業(yè)化要求石墨烯制備技術(shù)能穩(wěn)定、低成本地生產(chǎn)大面積、純度高的石墨烯，這一制備技術(shù)上的問(wèn)題至今尚未解決。

    石墨烯在汽車行業(yè)的潛在應(yīng)用

    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(méi)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(wú)法快速接收或釋放（即無(wú)法實(shí)現(xiàn)快充快放）。

    新能源電池領(lǐng)域，是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。之前美國(guó)麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽(yáng)能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，石墨烯超級(jí)電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用鋪就了道路。

    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)，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。

    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。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(dān)心愛(ài)車被劃了！

    3、代替硅應(yīng)用于集成電路，助力無(wú)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(lái)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)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(guò)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(lái)很有可能取代硅成為半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)材料。

    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(guò)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(wèn)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。

    5、替代ITO制備超高效太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池的需求會(huì)大幅提升。目前太陽(yáng)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。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(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)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(guò)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(yáng)能電池領(lǐng)域，日本富士電機(jī)在開(kāi)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(wèn)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。

    喧囂中期待未來(lái)

    雖然經(jīng)過(guò)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(méi)有一個(gè)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(shí)用的CVD法制備的石墨烯膜面積依然不夠大、而且質(zhì)量達(dá)不到透明導(dǎo)電膜的需求。

    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制導(dǎo)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。

    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(wú)人駕駛以及太陽(yáng)能汽車也考慮在內(nèi)，石墨烯無(wú)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(méi)有完全打開(kāi)，到目前石墨烯依然沒(méi)有規(guī)模化應(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(lái)的某一天，石墨烯的奇點(diǎn)必會(huì)到來(lái)，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?/span>

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