石墨烯電池：它真的能顛覆太陽能產業嗎

石墨烯電池：它真的能顛覆太陽能產業嗎

10月29日，英國曼徹斯特大學的安德烈·蓋姆在中國青島舉行的中國國際石墨烯創新大會上作為明星受到歡迎，他的名字現在和世界材料石墨烯一樣出名。

作為2010年諾貝爾物理學獎的獲得者和石墨烯的第一個發現者，當他從一家中國企業手中接過一款創新產品——石墨烯護腰器時，他的嘴有點嚴肅，露出了一個微而有意義的微笑。

石墨烯是世界上最薄、最硬的碳原子單層結構材料。它具有超薄、超輕、超高強度、超強導電性、優良的室溫導熱性和透光性，其結構也非常穩定，不僅有望使鋰電池效率提高一倍，而且有望在未來取代硅，制造新一代超級計算機。

從2004年到2010年，發現者在實驗室中獲得了諾貝爾獎，現在石墨烯工業正蓬勃發展。這種代表下一個時代的新型通用材料具有無限的應用前景，但其應用現狀卻參差不齊。一方面，石墨資源與真正的石墨烯薄膜并不密切相關，因而受到歡迎。另一方面，簡單宣傳石墨烯概念的產品層出不窮。

與國際上從研發到工業化的鏈條非常順暢，往往以科技巨頭為主導的情況相比，我國仍面臨著石墨烯研發仍局限于高校和科研院所，與實際應用脫節的困境，我國石墨烯的發展方向是：工業不僅需要國家一級的指導，還需要足夠的時間和耐心。

10月23日，中國國家主席習近平參觀了位于曼徹斯特的曼徹斯特大學國家石墨烯研究所。當天上午，中國公司華為宣布將與美國大學合作開發新一代的ICT高性能技術，并研究如何應用這一技術。粗加工石墨烯到消費電子和移動通信設備。

華為公司創始人任正非以前曾多次談到石墨烯。他提出了石墨烯時代將顛覆硅時代的觀點，認為石墨烯時代將顛覆硅時代。他相信技術革命將在未來10到20年內爆發。

石墨烯是由單層碳原子組成的蜂窩點陣二維原子晶體。理論厚度僅為0.34納米。石墨烯具有優異的導熱性、力學性能、高電子遷移率、高比表面積和量子霍爾效應。

由于石墨烯具有獨特的優異的物理化學性質，在微電子、物理、能源材料、化學、生物醫學等領域顯示出潛在的應用前景，2004年英國曼徹斯特大學的Andreigam和Konstantin Novoselov將石墨烯從石墨片中剝離出來，并將其用于制備石墨薄膜。榮獲2010年諾貝爾物理學獎。

盡管他們使用的方法非常原始，但這一發現的重要之處在于，它打破了國際物理中半個世紀以來的結論，即無法獲得穩定的石墨烯。事實上，即使在同一期《自然》雜志上，該雜志也發表了蓋姆的著名論文、中國學者張元波和一位合作者的有關地球物理的文章。阿芬發表了，但諾貝爾獎并不支持后者，當時，它被認為是國內學者最接近諾貝爾獎的時期。

張元波和他的合作者，以及蓋姆的團隊，在2005年領導了石墨烯的全球研究。從那時起，張元波的工作重點是石墨烯的制備、電子傳輸特性、掃描隧道能譜和遠紅外能譜測量，并一直活躍在該領域的前沿。D.張元波告訴財新說，自從他們兩組在石墨烯中發現新的物理現象以來，這個領域已經顯示出爆炸性的增長，沒有飽和的跡象。

公眾每天使用的智能手機中最關鍵的部分是一個非常透明和導電的觸摸屏。石墨烯具有這樣的特性，可以制成這樣的觸摸屏。此外，石墨烯比透明電極材料ITO具有更好的強度和靈活性。

早在2010年，韓國尚京灣大學和三星公司的研究人員就生產了由多層石墨烯和聚酯基片組成的透明柔性顯示屏，論文作者、成都大學教授洪炳喜就提出了他們的方法可以用于制造石墨烯-基于觸摸傳感器和平板顯示器，但他也承認當時大規模生產和商業化還為時過早。

然而，他的五年發展卻出乎意料，在10月底青島召開的石墨烯創新大會上，洪炳喜表示，石墨烯透明電極已廣泛應用于各種柔性光電器件，包括觸摸屏傳感器、有機發光二極管（OLED）和機械零件。

石墨烯以其優異的導熱性能和力學性能，在傳感器、聚合物納米復合材料、光電功能材料、藥物控釋等領域有著廣泛的應用前景。

石墨烯具有較大的比表面積，這使得制造高靈敏度傳感器成為可能。一旦氣體被吸附在石墨烯表面，它的表面電阻就會改變。然后，與電傳感器檢測器結合，石墨烯可以成為一種優良的氣體傳感器。

石墨烯的氣體吸附性能也使其成為一種新的儲氫材料，在室溫和安全壓力下能快速可逆地吸收和解吸氫氣，具有較高的熱穩定性。

石墨烯具有獨特的二維層狀結構和良好的生物相容性，是一種良好的藥物載體，科學家將石墨烯與抗腫瘤藥物反應，生成能在人體內緩慢釋放藥物的化合物，藥物負荷遠高于傳統藥物載體。

中國科學院金屬研究所研究員程慧明表示，石墨烯在清潔能源領域有著廣闊的應用前景，清潔能源的最大問題是穩定性和移動存儲，主要的存儲方式是超級電容器和電池，它們需要滿足高能量密度、高功率的需求。石墨烯具有高強度、高可靠性、長壽命等優點，可提高鋰電池電極的導電性，將石墨烯混合物應用于鋰電池中，其射程可提高到400多公里。

另一方面，它用于靈活的儲能，未來靈活的可穿戴設備，靈活的智能設備。靈活的顯示器，靈活的能源，包括靈活的鋰電池，靈活的超級電容器。

蓋姆在接受記者采訪時表示，他對全球石墨烯研究和商業化的速度感到驚訝，幾年后，他和他的同事因2010年發現石墨烯而獲得諾貝爾物理學獎。

人們所知道的最有趣的事情之一是，安德烈根用透明膠帶獲得了諾貝爾石墨烯獎。事實上，他們在用透明膠帶獲得石墨烯后，開始開發機械化的石墨烯制備方法。2004年，他們成功地用微機械剝離法制備了單層石墨烯。

這種方法當然比較原始，雖然可以得到晶體結構比較完整的石墨烯，但得到的石墨烯尺寸很小，一般在10微米到100微米之間。存在著產量低、成本高的缺點，不能滿足工業化和大規模生產的要求。

從那時起，人們就認為石墨烯不一定是用石墨來制備的，而是通過使碳原子形成一層薄膜來制備的。化學氣相沉積（CVD）已經應運而生。這種方法是將乙烯或乙炔引入反應室，并在高溫下分解這些氣體。冷卻后，碳原子沉積在基體表面形成石墨烯。最后，通過化學蝕刻去除金屬基底，或通過線圈到線圈的方法轉移到聚合物薄膜上。

CVD雖然能滿足大規模高質量制備石墨烯的要求，但其成本高、工藝復雜，限制了其在現階段石墨烯制備中的應用。

北京大學納米化學中心教授彭海林告訴記者，他們發現三聚氰胺可以用來預處理銅箔，以降低銅箔上的凝點，從而形成大的石墨烯薄膜，提高薄膜的透明度、導電性和一致性。然后采用逐卷法將石墨烯薄膜轉移到聚合物聚酯薄膜上，得到高質量的石墨烯薄膜。

如果將金屬納米線封裝在石墨烯與柔性塑料基片之間，在卷對卷轉移過程中形成復合導電膜，則可以顯示出優異的導電性、透明性、柔韌性、機械穩定性、剝離性和耐化學腐蝕性。

他們利用石墨烯和銀納米線復合電極制備了電致變色器件，具有良好的顯色性能、快速的顯色對應時間和穩定的循環性能，該復合電極在下一代柔性電子和光電子學領域具有巨大的應用潛力。

氧化石墨還原法是目前對石墨烯膜面積要求不高的地區最常用的制備石墨烯的方法之一，早在上世紀中葉就提出了這種方法，目前已被廣泛應用，在強氧化劑的作用下，通過擴展SPA形成氧化石墨烯單層。水或有機溶劑中的石墨層和超聲波處理。氧化石墨烯單層被還原劑還原生成石墨烯。

但石墨烯粉末是該方法得到的主要產物，缺陷多，電性能和機械性能差，需要用濃硫酸作氧化石墨。工業廢水的處理是一個難題。

另一種主要方法是溶劑汽提法。其原理是將少量石墨分散在溶劑中，形成低濃度的分散液。超聲波作用破壞了石墨層間的分子力。此時，溶劑可以逐層插入石墨層和剝離層制備石墨烯，這種方法不像氧化還原法那樣破壞石墨烯的結構，可以制備出高品質的石墨烯。

由于整個液相剝離過程沒有在石墨烯表面引入任何缺陷，為其在微電子、多功能復合材料等領域的應用提供了廣闊的應用前景。缺點是產量很低。

可以看出，不同的石墨烯制備技術對石墨烯生產商來說非常重要，因為它們不僅影響石墨烯的尺寸，而且影響質量和成本，以及應用領域。石墨烯納米片可用于印刷電子、導電油墨、鋰離子等儲能裝置。用化學氣相沉積法制備的石墨烯具有膨脹性、高導電性和大規模生產的潛力，可成功應用于高端電子領域。

由于制備方法的巨大差異，石墨烯粉末和CVD薄膜的價格千差萬別，例如一克石墨烯粉末只需要不到10元，而一平方米的石墨烯薄膜需要幾十到幾百元，其重量實際上不到1毫克。

海通證券資深分析師史毅指出，液相氧化還原法是目前大規模生產的主要制備方法。制備的石墨烯價格可降至10元/克以下，大部分成品為粉末和漿狀，可間接形成薄膜，適用于中低端應用，可直接用CVD法制備石墨烯薄膜，質量較高，性能較好，但價格昂貴。未來，如果技術進步和需求放大導致規模效應，預計成本將迅速下降。

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