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电池专题

最近石墨烯比较火,那石墨烯到底是什么呢、

来源:宝鄂实业    2019-04-13 14:06    点击量:

石墨材料的形成

 

1.导电性极佳:石墨烯中载流子电子和空穴是连续的,迁移率可以到达1&TImes;105cm2/Vs,电子的传输速度达到光速的1/300,大大超过了在一般金属导体和半导体中的传导速度,因而其拥有极好的导电性。

 

2.超高透光率:单层石墨烯在很宽的波长范围内的吸光度仅为2.3%,也就是单层石墨烯的透光率达到97.7%,远远高于透明导电薄膜国际通用标准85%的要求。

 

3.超高强度:石墨烯被发现是继碳纳米管之后具有最高弹性模量和强度的材料。其强度是世界上最好的钢强度的100倍,硬度比自然界中最硬的材料金刚石还高,同时又拥有极好的柔韧性,可以随意弯曲。

 

4.超高热导率:和石墨、金刚石和碳纳米管相似,石墨烯也拥有非常高的热导率,自由态的单层石墨烯在室温下热导率可以达到5000W/mK,是目前已知的导热率最高的材料。

 

5.超大比表面积:由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚,因此单层石墨烯拥有超大的比表面积,可以达到2630m2/g,远远大于普通活性炭的比表面积。

 

如果单看这些属性,那么石墨烯简直表现完美。唯一不完美的,在于怎么能够大量制备。

 

石墨烯制备技术

 

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜,从2006年开始,研究论文急剧增加,作为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料,旨在应用石墨烯的研发也在全球范围内急剧增加,美国、韩国,中国、日本等国家的研究尤其活跃。

 

目前众多国际大牌厂商如陶氏化学、三星、IBM、华为以及苹果等都在积极推进石墨烯产业化的研究,从2004年至今,国际上关于石墨烯的专利申请已经达到了几千项,主要在石墨烯的制备、能源领域的应用、显示技术方面的应用、石墨烯纳米材料以及石墨烯复合材料等方面。但全球范围内都没有实施大规模量产的先例,这主要是由于还没有找到一种适合大规模生产的方法和途径,同时这也是石墨烯成本一直居高不下的原因。

 

目前石墨烯主要的制造方法包括五种,分别是:机械剥离法、气相沉积法(CVD法)、SiC热分解法、氧化还原法等。其中最接近实际生产应用的是气相沉积法。

 

石墨烯电池那么火,一篇文章全面读懂石墨烯

 

石墨烯制备方法对比

 

石墨烯在汽车行业的潜在应用

 

石墨烯是一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的二维碳材料,在众多行业都具有广泛甚至是颠覆性的应用前景。而汽车产业又是建立在众多行业基础上的一个集成行业,因此石墨烯对于汽车行业也有重要的应用价值和前景。

 

1.应用于锂离子电池,大幅缩短充电时间,提升电池容量

 

目前,全球汽车制造商使用的动力电池主要使用锂电池,以特斯拉为代表的镍钴铝酸锂电池、以比亚迪为代表的磷酸铁锂电池和以日本汽车为代表的锰酸锂。

 

这三类电池以钴酸锂电池能量密度最高,但它在高温下也最不稳定;磷酸铁锂电池最稳定,但能量密度最低。锂离子电池技术已经沉寂了20年没有大的技术革新,其最大的障碍在于:锂离子电池功率密度有限,其大量能量无法快速接收或释放(即无法实现快充快放)。

 

石墨烯由于其超大的载流子迁移率,应用于锂离子电池上,可以大幅降低充电时间;而且由于其稳定性可以提高电池循环稳定性;另外由于超大比表面积还能提升电池容量。

 

特斯拉升级版的ModelS采用了改进过的锂电池,新改进的18650型锂电池的容量大幅度加大,6831节电池组数量没有增加,但电池组的总容量从53kWh提高到了70kWh。特斯拉没有确认是否加入了石墨烯,不过,它的性能有如此大幅度的提升,恐怕只有石墨烯能做到。

 

锂电池传统制造强国是日本和韩国,在石墨烯电池上他们也正在抢夺技术先机。韩国科学家早在2014年11月就宣布,最新发明的石墨烯超级手机电池,可存储与传统电池等量的电量,但充电时间只需16秒。美国伦斯勒理工学院研究人员也预计,石墨烯阳极材料比如今锂离子电池中惯用的石墨阳极充电或放电速度快10倍。

 

2014年12月初,西方媒体报道,西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发的石墨烯电池,一次充电时间只需8分钟,可行驶1000公里。如果这一结果属实,那么毫无疑问电动汽车将完全颠覆传统汽油汽车,成为汽车的主力军。

 

2.表面防护材料

 

石墨烯结构稳定,耐腐蚀,耐氧化,强度大,并且容易在各种金属表面生长,可以广泛应用于金属材料表面保护。同时由于其导电性和高导热性,也可广泛应用于有机材料的保护及防静电领域。可以想象如果在汽车面板表面镀上一层石墨烯,再也不用担心爱车被划了!

 

3.代替硅应用于集成电路,助力无人驾驶

 

硅让我们进入了电子化时代,多晶硅已经成为半导体行业的基础原料,被大量用作集成电路的基板。随着工艺技术的改进,目前硅基芯片的运行速度达到了GHz的级别,但随着技术的不断进步,对于计算机速度的要求越来越高。

 

然而,硅基芯片受到材料自身性能的限制,处理速度达到4-5GHz后就很难再提高,已经逐渐不能满足人们对速度的要求。在众多的备选材料中,石墨烯因其超高强度、超高热导率以及超强导电性而最引人瞩目。

 

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