【黑科技】3分鐘帶你了解石墨烯
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來源：百度百家
每當有一份關於石墨烯的突破性新聞出現時，總能在業內引起一片狂熱之聲，尤以電池領域為最。在這個時候，我們更應該冷靜下來，知道石墨烯是什麼、究竟能有什麼效果，以及它目前面臨的最大問題。本文作者劉耀春，在對岸中國清華大學，從事新能源材料研究工作。
石墨烯是一種由碳原子緊密堆積構成的二維晶體，是英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授，率先於2004年透過一種簡單的方法，從石墨中剝離得到了單層石墨烯。
在目前得到的二維材料裡，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、導電性最佳的材料。正是由於這些優異的物理性能，及巨大的應用前景，石墨烯的發現者於2010年，獲得了諾貝爾物理學獎。
在目前得到的二維材料裡，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、導電性最佳的材料。正是由於這些優異的物理性能，及巨大的應用前景，石墨烯的發現者於2010年，獲得了諾貝爾物理學獎。
石墨材料的形成
1.導電性極佳：石墨烯中載流子電子和空穴是連續的，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體和半導體中的傳導速度，因而其擁有極好的導電性。
2.超高透光率：單層石墨烯在很寬的波長，範圍內的吸光度僅為2.3%，也就是單層石墨烯的透光率達到97.7%，遠遠高於透明導電薄膜國際通用標準85%的要求。
3.超高強度：石墨烯被發現是繼碳奈米管之後，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.超高熱導率：和石墨、金剛石和碳奈米管相似，石墨烯也擁有非常高的熱導率，自由態的單層石墨烯在室溫下，熱導率可以達到5000 W/mK，是目前已知的導熱率最高的材料。
5.超大比表面積：由於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，遠遠大於普通活性炭的比表面積。
如果單看這些屬性，那麼石墨烯簡直表現完美。唯一不完美的，在於怎麼能夠大量製備。
石墨烯制備技術
石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，從 2006年開始，研究論文急劇增加，作為形成奈米尺寸晶體管，和電路的「後矽時代」的新潛力材料，旨在應用石墨烯的研發，也在全球範圍內急劇增加，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、三星、IBM以及蘋果等，都在積極推進石墨烯產業化的研究，從2004年至今，國際上關於石墨烯的專利申請，已經達到了幾千項，主要在石墨烯的製備、能源領域的應用、顯示技術方面的應用、石墨烯奈米材料，以及石墨烯複合材料等方面。
但全球範圍內都沒有實施大規模量產的先例，這主要是由於還沒有找到，一種適合大規模生產的方法和途徑，同時這也是石墨烯成本，一直居高不下的原因。
但全球範圍內都沒有實施大規模量產的先例，這主要是由於還沒有找到，一種適合大規模生產的方法和途徑，同時這也是石墨烯成本，一直居高不下的原因。
目前石墨烯主要的製造方法包括五種，分別是：機械剝離法、氣相沈積法(CVD法)、SiC熱分解法、氧化還原法等。其中最接近實際生產應用的是氣相沈積法。
石墨烯制備方法對比
石墨烯在汽車行業的潛在應用
石墨烯是一種技術含量非常高、應用潛力非常廣泛的二維碳材料，在眾多行業都具有廣泛，甚至是顛覆性的應用前景。而汽車產業又是建立在眾多行業基礎上的一個整合行業，因此石墨烯對於汽車行業，也有重要的應用價值和前景。
1.應用於鋰離子電池，大幅縮短充電時間，提升電池容量
目前，全球汽車製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、以對岸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定；磷酸鐵鋰電池最穩定，但能量密度最低。鋰離子電池技術已經沈寂了20年，沒有大的技術革新，其最大的障礙在於：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(即無法實現快充快放)。
石墨烯由於其超大的載流子遷移率，應用於鋰離子電池上，可以大幅降低充電時間；而且由於其穩定性，可以提高電池循環穩定性；另外由於超大比表面積，還能提升電池容量。
特斯拉升級版的Model S採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節電池組數量沒有增加，但電池組的總容量從53 kWh，提高到了70 kWh。特斯拉沒有確認是否加入了石墨烯，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。
鋰電池傳統製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先機。韓國科學家早在2014年11月就宣佈，最新發明的石墨烯超級手機電池，可儲存與傳統電池等量的電量，但充電時間只需16秒。美國倫斯勒理工學院研究人員也預計，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，西方媒體報導，西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學合作研發的石墨烯電池，一次充電時間只需8分鐘，可行駛1000公里。如果這一結果屬實，那麼毫無疑問電動汽車將完全顛覆傳統汽油汽車，成為汽車的主力軍。
2.表面防護材料
石墨烯結構穩定，耐腐蝕，耐氧化，強度大，並且容易在各種金屬表面生長，可以廣泛應用於金屬材料表面保護。同時由於其導電性和高導熱性，也可廣泛應用於有機材料的保護及防靜電領域。可以想像如果在汽車面板表面，鍍上一層石墨烯，再也不用擔心愛車被划了!
3.代替矽應用於整合電路，助力無人駕駛
矽讓我們進入了電子化時代，多晶矽已經成為半導體行業的基礎原料，被大量用作整合電路的基板。隨著工藝技術的改進，目前矽基晶片的運行速度，達到了GHz的級別，但隨著技術的不斷進步，對於電算機速度的要求越來越高。
然而，矽基晶片受到材料自身性能的限制，處理速度達到4-5GHz後就很難再提高，已經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、超高熱導率以及超強導電性而最引人矚目。
使用石墨烯作為基質生產出的處理器，能夠達到THz(即1000GHz)，IBM已經在2010年研製出運行速度超快的石墨烯晶體管，其最大頻率可以達到230GHz，遠遠超過現在的矽基晶體管運行速度。
IBM在2014年7月宣佈將再投入30億美元，進行包括石墨烯在內的碳晶片技術的研發。石墨烯未來很有可能取代矽，成為半導體行業的基礎材料。
IBM在2014年7月宣佈將再投入30億美元，進行包括石墨烯在內的碳晶片技術的研發。石墨烯未來很有可能取代矽，成為半導體行業的基礎材料。
無人駕駛技術方興未艾，其需要超強、超快的計算能力，數據儲存、處理系統對整合電路要求非常高，現有的矽基晶片很難完全滿足其需求，而石墨烯基碳晶片的開發應用，將會解決這一技術瓶頸，提供強大的算力支持。
4.應用於超級電容器，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，因而充放電速率非常快，可以在幾秒內完成充放電過程，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。
由於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，遠高於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用
5.替代ITO製備超高效太陽能電池及可折疊的顯示器
對岸漢能高調公佈了四款運用太陽能，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域得到推廣實現，可以想像汽車行業對太陽能電池的需求，會大幅提升。
目前太陽能電池、顯示器及觸控螢幕，使用的透明導電材料主要是氧化銦錫(ITO)。但由於ITO對紅外線的透射率實際上也還是比較低，導致現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。
目前太陽能電池、顯示器及觸控螢幕，使用的透明導電材料主要是氧化銦錫(ITO)。但由於ITO對紅外線的透射率實際上也還是比較低，導致現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。
石墨烯由於其特殊的結構，而具有非常高的電導率，同時幾乎透明，對所有波段的光透過率都超高，是一種性能超優異的透明導電材料，因此其被廣泛看好代替ITO。
在太陽能電池領域，日本富士電機在開發上處於領先地位。其得到的石墨烯片的導電率，高達ITO的幾倍，並且能夠保證90%的光透射率，已經達到能夠充分滿足性能指標的水準。在顯示器及觸控式螢幕領域，相比於現在主流的ITO材料，石墨烯擁有更高的強度和更好的韌性，作為透明導電材料，能夠製作成為可以彎曲的顯示器件。
6.石墨烯氣凝膠，用於廢氣空氣淨化、催化載體
汽車室內及廢氣的淨化，一直是汽車環保領域考慮的重要問題。2013年對岸浙大高分子系高超教授，課題組製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。
這種材料製備工藝簡單，卻擁有非常優異的性能，其具有高彈性，被壓縮80%之後，仍可恢復原狀；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。其可以廣泛應用於空氣淨化、催化載體等領域，對汽車室內空氣淨化，以及廢氣催化還原具有重要意義。
石墨烯氣凝膠立於桃花花蕊上
車雲小結：長路漫漫，喧囂中期待未來
雖然經過十餘年的高速發展，關於石墨烯的研究，已經取得了巨大的成就，但到目前也還是沒有一個真正的石墨烯產品得到應用，製備石墨烯的技術工藝也不成熟，即便是最接近實用的CVD法，製備的石墨烯膜面積依然不夠大，而且品質達不到透明導電膜的需求。
現在除去機械剝離法其他工藝製備，得到的石墨烯均達不到一致性的品質，而機械剝離法效率極低，因此現有的合成技術都不能適應工業化應用。
也正是製備工藝方面的限制，導致石墨烯價格依然較貴，所有關於石墨烯的應用，都還是實驗室研究階段。對於石墨烯應用，待到製備工藝成熟，將其成本降到可以商業化應用的水準，再將其實際應用、產業化，可謂長路漫漫。
也正是製備工藝方面的限制，導致石墨烯價格依然較貴，所有關於石墨烯的應用，都還是實驗室研究階段。對於石墨烯應用，待到製備工藝成熟，將其成本降到可以商業化應用的水準，再將其實際應用、產業化，可謂長路漫漫。
鑒於石墨烯超優異的性能，及巨大的應用前景，各國政府和企業都投入大量人力、物力、財力，進行關於石墨烯的研究。或許是為了不斷吸引關注和投資，經常有企業宣稱自己做出了非常厲害的石墨烯產品，在筆者看來，都不過是現實的喧囂。
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，石墨烯的價格已經在慢慢降低，較大尺寸、較高品質的石墨烯，也逐漸研製成功，下游產業鏈也逐漸在嘗試使用石墨烯。
從技術成熟度及需求急迫性而言，其應用於鋰離子電池，提高電池充放電效率、電池容量及電池穩定性，顯然對汽車特別是電動汽車的發展，具有決定性作用。
電動汽車要成為主流汽車，石墨烯至關重要。如果將無人駕駛以及太陽能汽車也考慮在內，石墨烯無疑會在汽車領域，擁有更廣闊的應用空間。
電動汽車要成為主流汽車，石墨烯至關重要。如果將無人駕駛以及太陽能汽車也考慮在內，石墨烯無疑會在汽車領域，擁有更廣闊的應用空間。
當然，前景是廣闊的，但現實是冷血的，由於製備工藝的不成熟，以及下游產業鏈沒有完全打開，到目前石墨烯依然沒有規模化應用，而要改變這一現狀，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，將會發生翻天覆地的變革，甚至會被顛覆。2289160805
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