传感器
M2M 云计算
智慧城市
电子标签
二维码
IPV6

未来
物联网
让一切想象变成现实!

未来物联网为您提供物联网资讯,物联网新闻,物联网技术,物联网会议,

物联网企业,物联网行业资讯网站,全球物联网技术及物联网应用最新动态。

「传闻你比来挺火」,一篇文┞仿周全读懂石墨烯

[复制链接]
未来物联网   发表于 2016-8-4 10:02:20   查看: 460 帖子
  每当有一份关于石墨烯的冲破性消息呈现时,总能在业内乱引起一片狂热之声,尤以电池范畴为最。在这个时辰,我们更应当沉着下来,知道石墨烯是什么、毕竟能有什么后果,以及它今朝面对的最年夜题目。本文作者刘耀春,在清华年夜学从事新能源资料研讨工作。
  石墨烯是一种由碳原子慎密聚积组成的二维晶体,是英国曼彻斯特年夜学的安德烈·海姆传授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫传授率先于2004年经由过程一种简略的方式从石墨中剥离获得了单层石墨烯。在今朝获得的二维资料里,石墨烯厚度最薄、比概况积较年夜,是仁攀类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的资料。恰是因为这些优良的物理机能及宏大的利用远景,石墨烯的发明者于2010年获得了诺贝尔物理学奖。
  因为石墨烯特别的构造,其也表示出很多其它资料不具有的特异机能。  

「传闻你比来挺火」,一篇文┞仿周全读懂石墨烯

「传闻你比来挺火」,一篇文┞仿周全读懂石墨烯

  石墨资料的形成
  1.导电性极佳:石墨烯中载流子电子和空***是持续的,迁徙率可以达到1×105cm2/Vs,电子的传输速度到达光速的1/300,年夜年夜跨越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畴内乱的吸光度仅为2.3%,也就是单层石墨烯的透光率到达97.7%,远远高于透明导电薄膜国际通用尺度85%的请求。
  3.超高强度:石墨烯被发明是继碳纳米管之后具有最高弹性模量和强度的资料。其强度是世界上最好的钢强度的100倍,硬度比天然界中最硬的资料金刚石还高,同时又拥有极好的柔韧性,可以随便曲折。
  4.超高热导率:和石墨、金刚石和碳纳米管类似,石墨烯也拥有很是高的热导率,自由态的单层石墨烯在室温下热导率可以到达5000W/mK,是今朝已知的导热率最高的资料。
  5.超年夜比概况积:因为石墨烯的厚度只有一个碳原子厚,是以单层石墨烯拥有超年夜的比概况积,可以到达2630m2/g,远弘远于通俗活性炭的比概况积。
  假如单看这些属性,那么石墨烯的确表示完善。独一不完善的,在于怎么可以或许大批制备。
  石墨烯制备技巧
  石墨烯的呈现在科学界激起了宏大的波涛,从2006年开端,研讨论文急剧增添,作为形成纳米尺微暇晶体管和电路的“后硅时期”的新潜力资料,旨在利用石墨烯的研发也在全球范畴内乱急剧增添,美国、韩国,中国、日本等国度的研讨尤其活泼。
  今朝浩繁国际年夜牌厂商如陶氏化学、三星、IBM以及苹果等都在积极推动石墨烯财产化的研讨,从2004年至今,国际上关于石墨烯的专利申请已经到达了几千项,重要在石墨烯的制备、能源范畴的利用、显示技巧方面的利用、石墨烯纳米资料以及石墨烯复合资料等方面。但全球范畴内乱都没有实行年夜范围量产的先例,这重要是因为还没有找到一种合适年夜范围出产的方式和道路,同时这也是石墨烯本钱一向居高不下的原因。
  今朝石墨烯重要的制作方式包含五种,分辨是:机械剥离法、气鼓鼓相沉积法(CVD法)、SiC热分化法、氧化还原法等。此中最接近现实出产利用的是气鼓鼓相沉积法。  

「传闻你比来挺火」,一篇文┞仿周全读懂石墨烯

「传闻你比来挺火」,一篇文┞仿周全读懂石墨烯

  石墨烯制备方式对照
  石墨烯在汽车行业的潜伏利用
  石墨烯是一种技巧含量很是高、利用潜力很是普遍的二维碳资料,在浩繁行业都具有普遍甚至是推翻性的利用远景。而汽车财产又是树立在浩繁行业基本上的一个集成行业,是以石墨烯对于汽车行业也有主要的利用价值和远景。
  1.利用于锂离子电池,年夜幅缩短充电时光,晋升电池容量
  今朝,全球汽车制作商应用的动力电池重要应用锂电池,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固;磷酸铁锂电池最稳固,但能量密度最低。锂离子电池技巧已经沉静了20年没有年夜的技巧改革,其最年夜的┞废碍在于:锂离子电池功率密度有限,其大批能量无法快速接受或开释(即无法实现快充快放)。
  石墨烯因为其超年夜的载流子迁徙率,利用于锂离子电池上,可以年夜幅下降充电时光;并且因为其稳固性可以进步电池轮回稳固性;别的因为超年夜比概况积还能晋升电池容量。
  特斯拉进级版的Model S采取了改良过的锂电池,新改良的18650型锂电池的容量年夜幅度加年夜,6831节电池组数目没有增添,但电池组的总容量从53kWh进步到了70 kWh。特斯拉没有确认是否参加了石墨烯,不外,它的机能有如斯年夜幅度的晋升,生怕只有石墨烯能做到。
  锂电池传统制作强国事日本和韩国,在石墨烯电池上他们也正在掠夺技巧先机。韩国科学家早在2014年11月就公布,最新发现的石墨烯超等手机电池,可存储与传统电池等量的电量,但充电时光只需16秒。美国伦斯勒理工学院研讨职员也估计,石墨烯阳极资料好比今锂离子电池中习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年夜学合作研发的石墨烯电池,一次充电时光只需8分钟,可行驶1000公里。假如这一成果属实,那么毫无疑问电动汽车将完整推翻传统汽油汽车,成为汽车的主力军。
  2.概况防护资料
  石墨烯构造稳固,耐腐化,耐氧化,强度年夜,而且轻易在各类金属概况发展,可以普遍利用于金属资料概况维护。同时因为其导电性和高导热性,也可普遍利用于有机资料的维护及防静电范畴。可以想象假如在汽车面板概况镀上一层石墨烯,再也不消担忧爱车被划了!
  3.取代硅利用于集成电路,助力无人驾驶
  硅让我们进进了电子化时期,多晶硅已经成为半导体行业的基本原料,被大批用作集成电路的基板。跟着工艺技巧的改良,今朝硅基芯片的运行速度到达了GHz的级别,但跟着技巧的不竭提高,对于盘算机速度的请求越来越高。
  然而,硅基芯片受到资料自身机能的限制,处置速度到达4-5GHz后就很难再进步,已经逐渐不克不及知足人们对速度的请求。在浩繁的备选资料中,石墨烯因其超高强度、超高热导率以及超强导电性而最惹人注视。
  应用石墨烯作为基质出产出的处置器可以或许到达THz(即1000GHz),IBM已经在2010年研制出运行速度超快的石墨烯晶体管,其最年夜频率可以到达230GHz,远远跨越此刻的硅基晶体管运行速度。IBM在2014年7月公布将再投进30亿美元进行包含石墨烯在内乱的碳芯片技巧的研发。石墨烯将来很有可能代替硅成为半导体行业的基本资料。
  无人驾驶技巧方兴日盛,其须要超强、超快的盘算才能,数据存储、处置体系对集成电路请求很是高,现有的硅基芯片很难完整知足其需求,而石墨烯基碳芯片的开辟利用将会解决这一技巧瓶颈,供给强盛的算力支撑。
  4.利用于超等电容器,完善加快
  超等电容器是一种新型储能装配,与充电电池比拟,可进行不限流充电,因而充放电速度很是快,可以在几秒内乱完成充放电进程,同时具有功率高,应用寿命长等特色。将超等电容器与锂离子电池组合应用可有用解决电动车加快慢的题目。
  因为石墨烯比概况积很年夜,所以以石墨烯为电极的超等电容用具有超高的容量,可以到达上百F/g,远高于其他资料作为电极的超等电容器,更合适作为动力电池的助力动力源。  

「传闻你比来挺火」,一篇文┞仿周全读懂石墨烯

「传闻你比来挺火」,一篇文┞仿周全读懂石墨烯

  石墨烯在超等电容器中的利用
  5.替换ITO制备超高效太阳能电池及可折叠的显示器
  本年7月2号,汉能高调颁布了四款应用太阳能作为动力源的概念汽车,假如有朝一日这一设法可以或许在汽车范畴获得推广实现,可以想象汽车行业对太阳能电池的需求会年夜幅晋升。今朝太阳能电池、显示器及触摸屏应用的透明导电资料重要是氧化铟锡(ITO)。但因为ITO对红外线的透射率现实上也仍是比拟低,导致此刻的太阳能电池对太阳能的应用效力依然比拟低;别的,ITO资料的韧性较差,在折叠或是拉伸时会影响显示的后果。
  石墨烯因为其特别的构造而具有很是高的电导率,同时几乎透明,对所有波段的光透过率都超高,是一种机能超优良的透明导电资料,是以其被普遍看好取代ITO。
  在太阳能电池范畴,日本富士电机在开辟上处于领先位置。其获得的石墨烯片的导电率高达ITO的几倍,而且可以或许包管90%的光透射率,已经到达可以或许充足知足机能指标的程度。在显示器及触摸屏范畴,比拟于此刻主流的ITO资料,石墨烯拥有更高的强度和更好的韧性,作为透明导电资料,可以或许制造成为可以曲折的显示器件。
  6.石墨烯气鼓鼓凝胶,用于尾气鼓鼓空气鼓鼓净化、催化载体
  汽车室内乱及尾气鼓鼓的净化一向是汽车环保范畴斟酌的主要题目。2013年浙年夜高分子系高明传授课题组制备出了世界上最轻的资料—石墨烯超轻气鼓鼓凝胶,资料密度仅为0.16mg/cm3。这种资料制备工艺简略却拥有很是优良的机能,其具有高弹性,被紧缩80%之后仍可恢回复复兴状;同时还具有超快、超高的吸附力,是迄今吸油才能最强的资料。其可以普遍利用于空气鼓鼓净化、催化载体等范畴,对汽车室内乱空气鼓鼓净化以及尾气鼓鼓催化还原具有主要意义。  

「传闻你比来挺火」,一篇文┞仿周全读懂石墨烯

「传闻你比来挺火」,一篇文┞仿周全读懂石墨烯

  石墨烯气鼓鼓凝胶立于桃花花蕊上
  车云小结:长路漫漫,喧哗中等待将来
  固然颠末十余年的高速成长,关于石墨烯的研讨已经取得了宏大的成绩,但到今朝也仍是没有一个真正的石墨烯产物获得利用,制备石墨烯的技巧工艺也不成熟,即即是最接近适用的CVD法制备的石墨烯膜面积依然不敷年夜、并且质量达不到透明导电膜的需求。
  此刻除往机械剥离法其他工艺制备获得的石墨烯均达不到一致性的品德,而机械剥离法效力极低,是以现有的合成技巧都不克不及顺应产业化利用。也恰是制备工艺方面的限制导致石墨烯价钱依然较贵,所有关于石墨烯的利用都仍是试验室研讨阶段。对于石墨烯利用,待到制备工艺成熟,将其本钱降到可以贸易化利用的程度,再将实在际利用、财产化,可谓长路漫漫。
  鉴于石墨烯超优良的机能及宏大的利用远景,列国当局和企业都投进大批人力、物力、财力进行关于石墨烯的研讨。或许是为了不竭吸引存眷和投资,经常有企业传播鼓吹本身做出了很是厉害的石墨烯产物,在笔者看来都不外是实际的喧哗。
  但也恰是在这喧哗与巨额投进下,石墨烯的研讨也确切取得了良多不错的结果,石墨烯的价钱已经在慢慢下降,较年夜尺微暇、较高质量的石墨烯也逐渐研制胜利,下流财产链也逐渐在测验考试应用石墨烯。
  从技巧成熟度及需求急切性而言,其利用于锂离子电池进步电池充放电效力、电池容量及电池稳固性显然对汽车特殊是电动汽车的成长具有决议性感化。电动汽车要成为主流汽车,石墨烯至关主要。假如将无人驾驶以及太阳能汽车也斟酌在内乱,石墨烯无疑会在汽车范畴拥有更辽阔的利用空间。

  当然,远景是辽阔的,但实际是冷血的,因为制备工艺的不成熟以及下流财产链没有完整打开,到今朝石墨烯依然没有范围化利用,而要转变这一近况可能还须要一段时光。信任跟着研讨的不竭深刻,在未来的某一天,石墨烯的奇点必会到来,那时浩繁行业将会产生翻天覆地的变更甚至会被推翻。
 郑重声明:本文仅代表作者个人观点,与未来物联网(wlit.cn)无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实,对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,请读者仅作参考,并请自行核实相关内容。
回复

使用道具 举报

QQ|Archiver|手机版|未来物联网 ( 苏ICP备12055120号-1 )

GMT+8, 2018-1-18 10:18 , Processed in 0.260363 second(s), 22 queries .

Powered by Discuz! X3.4

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表