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石墨烯電池充電8分鐘跑1000公里不靠譜！

時間:2015-11-27 08:50來源:科技日報 作者:西顧
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         作為2010年諾貝爾物理獎獲得者、石墨烯的第一位發(fā)現(xiàn)者，當他從一家中國企業(yè)手中接過一款創(chuàng)新產(chǎn)品――石墨烯護腰的時候，他原本略顯嚴肅的嘴角上，露出一絲不明顯但又意味深長的微笑。
 
         10月29日，來自英國曼徹斯特大學的安德烈.蓋姆（AndreGeim）在中國青島舉辦的“2015中國國際石墨烯創(chuàng)新大會”上受到明星一般的歡迎。他的名字，如今與“萬能材料”石墨烯一樣出名。
 
          作為一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，石墨烯可以說是目前世界上最薄也是最堅硬的材料，具有超薄、超輕、超高強度、超強導電性、優(yōu)異的室溫導熱和透光性，結(jié)構(gòu)也非常穩(wěn)定。它不僅有望使鋰電池功效倍增，更有望替代硅，制造未來新一代超級計算機。
 
          從2004年在實驗室中被發(fā)現(xiàn)，到2010年發(fā)現(xiàn)者被授予諾貝爾獎，到現(xiàn)在石墨烯產(chǎn)業(yè)遍地開花，這種代表下一個時代的新型“萬能材料”，其應用前景不可限量。但當前其應用局面魚龍混雜，一方面是跟真正的石墨烯薄膜關系并不十分密切的石墨礦資源受到熱捧，一方面是純粹炒作石墨烯概念的產(chǎn)品層出不窮。
 
          與國際上往往由科技巨頭企業(yè)主導、從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化的鏈條十分通暢的狀態(tài)相比，中國面臨著石墨烯研發(fā)仍然局限于高校和科研院所、與實際應用脫節(jié)的困境。中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)何去何從，不僅需要國家層面的引導，更需要足夠的時間和足夠的耐心。
 
“萬能材料”
 
          10月23日，中國國家主席習近平參觀了蓋姆所在的曼徹斯特大學國家石墨烯研究院。當天上午，中國企業(yè)華為對外宣布與曼徹斯特大學進行共同開發(fā)ICT領域的下一代高性能技術(shù)的合作研究，研究如何將石墨烯領域的突破性成果應用于消費電子產(chǎn)品和移動通信設備。
 
          華為公司創(chuàng)始人任正非，此前多次談到石墨烯，提出“這個時代將來最大的顛覆是石墨烯時代將顛覆硅時代”的想法，并認為未來10年至20年內(nèi)將爆發(fā)一場技術(shù)革命。
          石墨烯是由單層碳原子層構(gòu)成的蜂窩狀晶格二維原子晶體，理論厚度僅為0.34納米，具有優(yōu)良的導熱性能、力學性能、較高的電子遷移率、較高的比表面積和量子霍爾效應等性質(zhì)。
 
          正是由于這些特殊而優(yōu)異的物化性能，使得石墨烯在微電子、物理、能源材料、化學、生物醫(yī)藥等領域體現(xiàn)出了潛在的應用前景。2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈?蓋姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）從石墨薄片中剝離出了石墨烯，他們二人因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎。
 
          雖然他們使用的方法非常原始，但是這一發(fā)現(xiàn)的偉大之處，在于打破了國際物理學界長達半個世紀的一個結(jié)論――無法得到穩(wěn)定的石墨烯。實際上，就在發(fā)表蓋姆那篇著名論文的同一期《自然》雜志上，也發(fā)表了中國學者張遠波與合作者的一篇關于石墨烯的文章，但是諾貝爾獎并未青睞后者。這在當時，被看做國內(nèi)學者距離諾貝爾最近的一次。
 
          張遠波與合作者以及蓋姆小組在2005年的工作，引領了全球?qū)κ┑难芯�。此后，張遠波的工作主要集中在石墨烯的制備、電學輸運特性、掃描隧道能譜，以及遠紅外能譜的測量，一直活躍在這個領域的前沿。 張遠波對財新記者說，從他們兩個小組發(fā)現(xiàn)石墨烯新的物理現(xiàn)象后，這個領域就呈現(xiàn)爆炸性的增長，現(xiàn)在還沒有飽和的跡象。
 
          公眾每天都會用到的智能手機，最關鍵的一部分就是有一塊既能導電又非常透明的觸摸屏。石墨烯恰好就具備這樣的特性，讓它可以做成這樣的觸摸屏。而且石墨烯的強度和柔韌性，比目前的透明電極材料氧化銦錫（ITO）要更好。
 
          早在2010年，韓國成均館大學和三星公司的研究人員，就制造出由多層石墨烯和聚酯片基底組成的透明可彎曲顯示屏。當時，論文通訊作者、成均館大學教授洪秉熙就提出，他們的方法可用于制造基于石墨烯的太陽能電池、觸摸傳感器和平板顯示器。但他當時也承認，大規(guī)模制造和商業(yè)化還為時尚早。
 
          不過，五年來的發(fā)展，也出乎他的意料。在10月底在青島召開的石墨烯創(chuàng)新大會上，洪秉熙介紹說，石墨烯透明電極已經(jīng)廣泛地應用于各種各樣的柔性光電器件，包括觸摸屏傳感器、有機發(fā)光二極管（OLED）和有機光伏器件。
 
          由于石墨烯具有優(yōu)異的導熱性能和力學性能，還在傳感器、聚合物納米復合材料、光電功能材料、藥物控制釋放等領域表現(xiàn)出眾多潛在的應用前景。
 
          石墨烯擁有較大的比表面積，使其具備了制作高靈敏度傳感器的條件，一旦氣體被吸附于石墨烯表面，其表面電阻就會出現(xiàn)變化，然后結(jié)合電傳感檢測器，就可以讓石墨烯成為一種優(yōu)異的氣體傳感器。
 
          石墨烯的氣體吸附特性，也讓其成為新型儲氫材料，可以在室溫、安全壓力下快速可逆地吸放氫氣，較高的熱穩(wěn)定性。
 
          石墨烯獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性，使其能很好地作為藥物載體�？茖W家將石墨烯與抗腫瘤藥物反應制得復合物，可在人體內(nèi)緩慢釋放藥物，而且藥物的負載量遠遠高于傳統(tǒng)的藥物載體。
 
          據(jù)中科院金屬所研究員成會明介紹，在清潔能源領域，石墨烯應用前景廣闊。清潔能源最大問題是穩(wěn)定性和移動存儲難題。存儲方式主要為超級電容和電池，都需要滿足高能量密度、高功率密度、高可靠性和長壽命。石墨烯可增加鋰電池電極的導電性。他們將石墨烯混合物應用于鋰電池，其續(xù)航里程可增加到400公里以上。
 
          另一方面是用于柔性能量存儲，將來用于柔性可穿戴設備，柔性智能設備。“要柔性顯示，也要柔性能源，包括柔性鋰電池、柔性超級電容。”
 
          在接受 記者專訪時，蓋姆頗為感慨地表示，自2010年他與同事因發(fā)現(xiàn)石墨烯共獲諾貝爾物理學獎之后，短短幾年間全球石墨烯研發(fā)及商業(yè)化的速度令他十分驚詫。
 
制備難題
 
          人們耳熟能詳?shù)娜な�，是安德�?蓋姆用透明膠帶得到了石墨烯，并因此獲得了諾貝爾獎。實際上，在用透明膠帶得到石墨烯后，他們就開始研發(fā)機械化的石墨烯制備方法。2004年，他們成功用微機械剝離法制備出單層石墨烯。
 
          這種方法當然是比較原始的。雖然可以獲得晶體結(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-100微米之間，存在產(chǎn)率低和成本高的不足，不能滿足工業(yè)化和規(guī)�；a(chǎn)要求。
 
          此后，人們想到制備石墨烯未必要使用石墨，只需要設法讓碳原子結(jié)成一層薄膜�；瘜W氣相沉積法（CVD）應運而生，這種方法是將乙烯或乙炔等氣體導入到一個反應腔內(nèi)，讓這些氣體在高溫下分解，經(jīng)過冷卻后，碳原子就沉積在基底表面形成石墨烯，最后用化學腐蝕法除去金屬基底，或用卷對卷的方法將其轉(zhuǎn)移到高分子薄膜上。
 
          雖然CVD能滿足規(guī)模化制備大面積、高質(zhì)量的石墨烯要求，但在現(xiàn)階段由于其成本較高和工藝復雜等缺點，限制了這種方法在石墨烯制備中的應用。
 
          北京大學納米化學中心教授彭海琳對財新記者介紹，他們發(fā)現(xiàn)可以用三聚氰胺對銅箔進行預處理，減少銅箔上的凝結(jié)點，這樣就可以形成大片的石墨烯薄膜，提高薄膜的透光性、導電性和一致性，而后通過卷對卷的方法，把石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到高分子PET薄膜上，就可以得到高質(zhì)量的石墨烯薄膜。
 
          如果在卷對卷轉(zhuǎn)移的過程中，將金屬納米導線封裝在石墨烯和柔性塑料基底之間，做成復合導電薄膜，可以顯示出優(yōu)異導電性、透光性，且具有優(yōu)異的柔性、機械穩(wěn)定性、抗剝離性能和抗化學腐蝕性能。
 
          他們采用石墨烯和銀納米線復合電極，制備了電致變色器件，具有良好的變色性能、快速的變色相應時間和穩(wěn)定的循環(huán)性能。這種復合電極在下一代柔性電子和光電子領域，有重大的潛在應用價值。
 
          在對石墨烯的薄膜面積沒有過高要求的領域，氧化石墨還原法是制備石墨烯最常用的方法之一。這種方法早在上世紀中葉就被提出，并被一直沿用至今。在強氧化劑作用下，擴張石墨層間距，經(jīng)在水溶液或有機溶劑中超聲處理后形成均勻分散的單層氧化石墨烯，再利用還原劑還原氧化基團制得石墨烯。
 
          但這種方法得到的，主要是石墨烯粉體。缺陷非常多，電學、力學性能都較差，而且需要用濃硫酸氧化石墨，其工業(yè)上廢液的處理是一個難題。
 
          還有一種主要方法――溶劑剝離法，原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的分子作用力，此時溶劑可以插入石墨層間，進行層層剝離，制備出石墨烯。此方法不會像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，可以制備高質(zhì)量的石墨烯。
 
          由于整個液相剝離的過程沒有在石墨烯的表面引入任何缺陷，為其在微電子學、多功能復合材料等領域的應用提供了廣闊的應用前景，缺點是產(chǎn)率很低。
 
          可見，不同的石墨烯制備技術(shù)對于石墨烯制造商至關重要，因為它不僅影響石墨烯大小，更影響到質(zhì)量和成本，以及應用領域。石墨烯納米薄片，可應用于印刷電子、導電油墨、鋰離子電池和超級電容器等能量存儲裝置。CVD制備的石墨烯，具有可擴展性、高電導性，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。它可以成功地應用于高端電子應用。
 
          由于制備方法上巨大的差異，石墨烯粉體和CVD薄膜之間的價格也要相差上千倍。例如1克石墨烯粉體只需要不到10元，而1平方米石墨烯薄膜要幾十元到上百元，其重量其實不到1毫克。
 
          在業(yè)內(nèi)專家看來，石墨烯的主要挑戰(zhàn)是要同時滿足兩個條件：低成本和高質(zhì)量。
 
           海通證券高級分析師施毅指出，目前液相氧化還原法是量產(chǎn)的主要制備方法，制備的石墨烯價格可降至10元/克以下，成品多為粉材、漿料，可間接成膜，適合中低端應用。CVD方法可直接制備石墨烯薄膜，質(zhì)量更高，性能更好，但價格非常昂貴，未來若技術(shù)進步、需求放大帶動規(guī)模效應，成本有望快速降低。
 
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