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澄清石墨烯應用于能源領域的四個誤解

2016-02-19 09:53:06 作者：本網整理來源：

石墨烯很快又會攀上高點，包括“新材料‘十三五’規劃”在內的多個石墨烯產業支持政策，有望在2016年上半年陸續出臺。這些政策的核心是推動石墨烯產業關鍵技術在“十三五”期間實現突破，并快速實現產業化。

石墨烯

“十三五”期間，石墨烯產業將逐步形成電動汽車鋰電池用石墨烯基電極材料、海洋工程用石墨烯基防腐涂料、柔性電子用石墨烯薄膜、光電領域用石墨烯基高性能熱界面材料在內的四大產業集群，全行業產業規模有望突破千億元。

石墨烯應用在鋰離子電池、超級電容器、鋰硫電池、燃料電池到太陽能電池，屢見技術突破也已經是不爭的事實，那為何迄今在市面上還看不到實用的商品？按理講，石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/Vs，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只有10E-8Ωm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料，應用其優異特性應該是有所作為吧？

很抱歉，事情并沒有那幺順利。在回答石墨烯怎幺突破現狀讓能源商品及早上市前，我這次換個方式先來澄清某些對石墨烯應用于能源的誤解。

第一，石墨烯電池充電10分鐘跑1，000公里做得到嗎？

答：目前做不到。石墨烯聚合物材料電池其儲電量是無法達到目前市場最好產品的叁倍，以特斯拉汽車使用日本松下電池18650電池為基準之電容量為3.4Ah，電池電容量需包含各材料組合而成，以目前正極最佳材料與石墨烯搭配也無法達到10Ah之電容量。塬因在石墨烯的振實和壓實密度都非常低，不適合取代石墨類材料取代鋰離子電池負極。

既然單獨使用石墨烯作為負極不可行，那至少可發展石墨烯復合負極材料吧。目前較可靠之石墨烯負極之電容量可達540mAh/g（Honma，2008），其充放電曲線與循環壽命分析。此外，石墨烯工藝中修飾C60與CNT形成復合材料，可將材料之電容量分別提升730及784mAh/g，也證實碳材具較大層間距時能有較佳之儲電能力。

第二，石墨烯在鋰離子電池最可能發揮作用的領域只有兩個：直接用于負極材料和用于導電添加劑嗎？

答：太早下定論。下面會告訴大家目前的制約因素，及該怎幺突破。切記，石墨烯有600多種，網絡上說石墨烯只有單層才符合是過時的信息，否則歐盟怎幺會認同這個數字呢？每種石墨烯都有可應用的范疇，只要你具備更多石墨烯材料組合，就代表你比別人擁有更高的成功率。

第三，石墨烯在超級電容中最有可能發揮作用的特性有哪些？

答：相較于傳統電容電極，石墨烯超級電容有四大特色：

1.表面積大，有利于產生高能量密度；2.超高導電性，有利于保持高功率密度；3.化學結構豐富有利于引入贗電容，提高能量密度；4.特殊的電子結構可優化結構與性能關系。這些性質使其成為次世代電極材料的佼佼者。

我還是看好超級電容能取代鋰離子電池，但誰知道呢？我們正朝把超級電容的能量密度提高到接近鋰離子電池而努力，但鋰離子電池產業也不是一朝一夕就建成的，兩者性能的提升都有其正面意義的。

第四，石墨烯在太陽能電池中最有可能發揮作用的領域有哪些？

答：來自西班牙Universitat Jaumel和英國Oxford University組成的光伏和光電器件組（DFO）的研究團隊近日開發了一個光電池設備，使用基于石墨烯材料制成的太陽能電池，可使太陽能電池的有效轉化率達到15.6%。該團隊的研究論文已經發表在《NanoLetters》期刊上。他們將二氧化鈦和石墨烯結合在一起，當做電荷收集器。

接著他們使用鈣鈦礦作為太陽光吸收器。除了改善了太陽能轉化率之外，該團隊稱這個設備還是在低溫條件下制造的。通過內嵌幾層材料，研究團隊還可以使用基于解決方案的配置技術在溫度低于150℃的地方處理它。這不僅意味著更低的潛在生產成本，而且意味著這項技術還可能用在柔性塑料上。

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