石墨烯材料的優(yōu)點

    1、導電性極佳

    石墨烯中載流子電子和空穴是連續(xù)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范圍內(nèi)的吸光度僅為2.3%，也就是單層石墨烯的透光率達到97.7%，遠遠高于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(fā)現(xiàn)是繼碳納米管之后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、金剛石和碳納米管相似，石墨烯也擁有非常高的熱導率，自由態(tài)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

    由于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，遠遠大于普通活性炭的比表面積。如果單看這些屬性，那么石墨烯簡直表現(xiàn)完美。唯一不完美的，在于怎么能夠大量制備。

    石墨烯制備技術

    石墨烯的出現(xiàn)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，作為形成納米尺寸晶體管和電路的“后硅時代”的新潛力材料，旨在應用石墨烯的研發(fā)也在全球范圍內(nèi)急劇增加，美國、韓國、中國、日本等國家的研究尤其活躍。目前石墨烯主要的制造方法包括五種，分別是：機械剝離法、氣相沉積法（CVD法）、SiC熱分解法、氧化還原法等。其中最接近實際生產(chǎn)應用的是氣相沉積法。

    現(xiàn)有制法還不能滿足石墨烯產(chǎn)業(yè)化的要求。包括微機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉淀CVD法和氧化石墨還原法在內(nèi)的眾多制備方法目前仍不能滿足產(chǎn)業(yè)化的要求。特別是產(chǎn)業(yè)化要求石墨烯制備技術能穩(wěn)定、低成本地生產(chǎn)大面積、純度高的石墨烯，這一制備技術上的問題至今尚未解決。

    石墨烯在汽車行業(yè)的潛在應用

    1、應用于鋰離子電池大幅縮短充電時間，提升電池容量

    目前，全球汽車制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(wěn)定；磷酸鐵鋰電池最穩(wěn)定，但能量密度最低。鋰離子電池技術已經(jīng)沉寂了20年沒有大的技術革新，其最大的障礙在于：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(xiàn)快充快放）。

    新能源電池領域，是石墨烯最早商用的一大重要領域。之前美國麻省理工學院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數(shù)碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應用鋪就了道路。

    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(yè)都具有廣泛甚至是顛覆性的應用前景。而汽車產(chǎn)業(yè)又是建立在眾多行業(yè)基礎上的一個集成行業(yè)，石墨烯對于汽車行業(yè)也有重要的應用價值和前景。

    2、表面防護材料

    石墨烯結構穩(wěn)定，耐腐蝕，耐氧化，強度大，并且容易在各種金屬表面生長，可以廣泛應用于金屬材料表面保護。同時由于其導電性和高導熱性，也可廣泛應用于有機材料的保護及防靜電領域。可以想象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劃了！

    3、代替硅應用于集成電路，助力無人駕駛

    硅讓我們進入了電子化時代，多晶硅已經(jīng)成為半導體行業(yè)的基礎原料，被大量用作集成電路的基板。隨著工藝技術的改進，目前硅基芯片的運行速度達到了GHz的級別，但隨著技術的不斷進步，對于計算機速度的要求越來越高。然而，硅基芯片受到材料自身性能的限制，處理速度達到4-5GHz后就很難再提高，已經(jīng)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(zhì)生產(chǎn)出的處理器能夠達到THz（即1000GHz），IBM已經(jīng)在2010年研制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(xiàn)在的硅基晶體管運行速度。IBM在2014年7月宣布將再投入30億美元進行包括石墨烯在內(nèi)的碳芯片技術的研發(fā)。石墨烯未來很有可能取代硅成為半導體行業(yè)的基礎材料。

    4、應用于超級電容器，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(nèi)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。由于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，遠高于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。

    5、替代ITO制備超高效太陽能電池及可折疊的顯示器

    今年7月2號，漢能高調(diào)公布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(xiàn)，可以想象汽車行業(yè)對太陽能電池的需求會大幅提升。目前太陽能電池、顯示器及觸摸屏使用的透明導電材料主要是氧化銦錫。但由于ITO對紅外線的透射率實際上也還是比較低，導致現(xiàn)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。

    石墨烯由于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(yōu)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(fā)上處于領先地位。其得到的石墨烯片的導電率高達ITO的幾倍，并且能夠保證90%的光透射率，已經(jīng)達到能夠充分滿足性能指標的水平。在顯示器及觸摸屏領域，相比于現(xiàn)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，能夠制作成為可以彎曲的顯示器件。

    6、石墨烯氣凝膠，用于尾氣空氣凈化、催化載體

    汽車室內(nèi)及尾氣的凈化一直是汽車環(huán)保領域考慮的重要問題。2013年浙大高分子系高超教授課題組制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。這種材料制備工藝簡單卻擁有非常優(yōu)異的性能，其具有高彈性，被壓縮80%之后仍可恢復原狀；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。其可以廣泛應用于空氣凈化、催化載體等領域，對汽車室內(nèi)空氣凈化以及尾氣催化還原具有重要意義。

    喧囂中期待未來

    雖然經(jīng)過十余年的高速發(fā)展，關于石墨烯的研究已經(jīng)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(chǎn)品得到應用，制備石墨烯的技術工藝也不成熟，即便是最接近實用的CVD法制備的石墨烯膜面積依然不夠大、而且質(zhì)量達不到透明導電膜的需求。

    現(xiàn)在除去機械剝離法其他工藝制備得到的石墨烯均達不到一致性的品質(zhì)，而機械剝離法效率極低，因此現(xiàn)有的合成技術都不能適應工業(yè)化應用。也正是制備工藝方面的限制導致石墨烯價格依然較貴，所有關于石墨烯的應用都還是實驗室研究階段。對于石墨烯應用，待到制備工藝成熟，將其成本降到可以商業(yè)化應用的水平，再將 其實際應用、產(chǎn)業(yè)化，可謂長路漫漫。

    從技術成熟度及需求急迫性而言，其應用于鋰離子電池提高電池充放電效率、電池容量及電池穩(wěn)定性顯然對汽車特別是電動汽車的發(fā)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(nèi)，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(xiàn)實是冷血的，由于制備工藝的不成熟以及下游產(chǎn)業(yè)鏈沒有完全打開，到目前石墨烯依然沒有規(guī)模化應用，而要改變這一現(xiàn)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(yè)將會發(fā)生翻天覆地的變革甚至會被顛覆。

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責任編輯：王元

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