在去年，華為公司創(chuàng)始人任正非也在一次采訪中大贊石墨烯的前景。
“我認(rèn)為這個時(shí)代將來最大的顛覆，是石墨烯時(shí)代顛覆硅時(shí)代，但是顛覆需要有繼承性發(fā)展，在硅時(shí)代的成功佼佼者最有希望成為石墨烯時(shí)代中的佼佼者。邊沿機(jī)會還是硅時(shí)代的領(lǐng)先公司。不可能完全憑空出來一個小公司，然后就領(lǐng)導(dǎo)了時(shí)代脈搏，而且石墨烯這個新技術(shù)在世界上的發(fā)展也不是小公司能做到的。”
那么，石墨烯究竟有何神奇之處，以至于各界都在追捧？下面我們一起來了解石墨烯到底是什么？
石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格結(jié)構(gòu)
石墨烯是什么？
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
雖然名字里帶有石墨二字，但它既不依賴石墨儲量也完全不是石墨的特性：石墨烯導(dǎo)電性強(qiáng)、可彎折、機(jī)械強(qiáng)度好，看起來頗有未來神奇材料的風(fēng)范。如果再把它的潛在用途開個清單——保護(hù)涂層，透明可彎折電子元件，超大容量電容器，等等——那簡直是改變世界的發(fā)明。
石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子跑的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。
更多的描述
石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層相同，是碳原子以sp2雜化軌道呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列構(gòu)成的單層二維晶體。石墨烯可想像為由碳原子和其共價(jià)鍵所形成的原子網(wǎng)格。石墨烯的命名來自英文的graphite（石墨）+-ene（烯類結(jié)尾）。石墨烯被認(rèn)為是平面多環(huán)芳香烴原子晶體。
石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42?。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時(shí)，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。
石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異形體的基本單元：石墨，木炭，碳納米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形(等角六邊形);如果有五邊形和七邊形存在，則會構(gòu)成石墨烯的缺陷。12個五角形石墨烯會共同形成富勒烯。
石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管；另外石墨烯還被做成彈道晶體管（ballistic transistor）并且吸引了大批科學(xué)家的興趣。在2006年3月，佐治亞理工學(xué)院研究員宣布，他們成功地制造了石墨烯平面場效應(yīng)晶體管，并觀測到了量子干涉效應(yīng)，并基于此結(jié)果，研究出以石墨烯為基材的電路。
石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種，質(zhì)料非常牢固堅(jiān)硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。
它誕生至今都十年了，但透明手機(jī)在哪呢？
其實(shí)就在2012年，因石墨烯而獲得諾貝爾獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和他的同事曾經(jīng)在《自然》上發(fā)表文章討論石墨烯的未來，兩年來的發(fā)展也基本證明了他們的預(yù)測。他認(rèn)為作為一種材料，石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”，雖然將來它也許能發(fā)揮重大作用，但是在克服幾個重大困難之前，這一場景還不會到來。更重要的是，考慮到產(chǎn)業(yè)更新的巨大成本，石墨烯的好處可能不足以讓它簡單地取代現(xiàn)有的設(shè)備——它的真正前景，或許在于為它的獨(dú)到特性量身定做的全新應(yīng)用場合。
制備方法
在2008那年，由機(jī)械剝離法制備得到的石墨烯乃世界最貴的材料之一，人發(fā)截面尺寸的微小樣品需要花費(fèi)$1,000。漸漸地，隨著制備程序的規(guī)?；杀窘档秃芏唷，F(xiàn)在，公司行號能夠以公噸為計(jì)量單位來買賣石墨烯。換另一方面，生長于碳化硅表面上的石墨烯晶膜的價(jià)錢主要決定于基板成本，在2009年大約為$100/cm2。使用化學(xué)氣相沉積法，將碳原子沉積于鎳金屬基板，形成石墨烯，浸蝕去鎳金屬后，轉(zhuǎn)換沉積至其它種基板。這樣，可以更便宜地制備出尺寸達(dá)30英吋寬的石墨烯薄膜。
諾沃肖洛夫團(tuán)隊(duì)捐贈給斯德哥爾摩的石墨、石墨烯和膠帶。膠帶上的簽名“Andre Geim”就是和諾沃肖洛夫一同獲得諾貝爾獎的人。圖片來源：wikipedia
撕膠帶法/輕微摩擦法
最普通的是微機(jī)械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來。2004年，海姆等用這種方法制備出了單層石墨烯，并可以在外界環(huán)境下穩(wěn)定存在。典型制備方法是用另外一種材料膨化或者引入缺陷的熱解石墨進(jìn)行摩擦，體相石墨的表面會產(chǎn)生絮片狀的晶體，在這些絮片狀的晶體中含有單層的石墨烯。但缺點(diǎn)是此法利用摩擦石墨表面獲得的薄片來篩選出單層的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，無法可靠地制造長度足供應(yīng)用的石墨薄片樣本。
碳化硅表面外延生長
該法是通過加熱單晶碳化硅脫除硅，在單晶（0001）面上分解出石墨烯片層。具體過程是：將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，將樣品加熱使之溫度升高至1250~1450℃后恒溫1min~20min，從而形成極薄的石墨層，經(jīng)過幾年的探索，克萊爾·伯格（Claire Berger）等人已經(jīng)能可控地制備出單層或是多層石墨烯。在C-terminated表面比較容易得到高達(dá)100層的多層石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。
金屬表面生長
取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“孤島”布滿了整個基質(zhì)表面，最終它們可長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋8 0 ％后，第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會影響碳層的特性。另外彼得·瑟特（Peter Sutter）等使用的基質(zhì)是稀有金屬釕。
氧化減薄石墨片法
石墨烯也可以通過加熱氧化的辦法一層一層的減薄石墨片，從而得到單、雙層石墨烯 。
肼還原法
將氧化石墨烯紙（graphene oxide paper）置入純肼(Hydrazine, N2H4)溶液（一種氫原子與氮原子的化合物），這溶液會使氧化石墨烯紙還原為單層石墨烯。
乙氧鈉裂解
一份于2008年發(fā)表的論文，描述了一種程序，能夠制造達(dá)到公克數(shù)量的石墨烯。首先用鈉金屬還原乙醇，然后將得到的乙醇鹽（ethoxide）產(chǎn)物裂解，經(jīng)過水沖洗除去鈉鹽，得到黏在一起的石墨烯，再用溫和聲波振動（sonication）振散，即可制成公克數(shù)量的純石墨烯。
切割碳納米管法
切割碳納米管也是制造石墨烯帶的正在試驗(yàn)中的方法。其中一種方法用過錳酸鉀和硫酸切開在溶液中的多層壁碳納米管（Multi-walled carbon nanotubes）。另外一種方法使用等離子體刻蝕（plasma etching）一部分嵌入于聚合物的納米管。
石墨的聲波處理法
這方法包含分散在合適的液體介質(zhì)中的石墨，然后被超聲波處理。通過離心分離，非膨脹石墨最終從石墨烯中被分離。這種方法是由Hernandez等人首次提出，他得到的石墨烯濃度達(dá)到了0.01 mg/ml在N-甲基吡咯烷酮（N-methylpyrrolidone, NMP）。然后，該方法主要是被多個研究小組改善。特別是，它得到了在意大利的阿爾貝托·馬里亞尼（Alberto Mariani）小組的極大改善。Mariani等人達(dá)到在NMP中的濃度為2.1mg/ml（在該溶劑中是最高的）。同一小組發(fā)表的最高的石墨烯的濃度是在已報(bào)告的迄今在任何液體中的和通過任意的方法得到的。一個例子是使用合適的離子化液體作為分散介質(zhì)用于石墨剝離；在此培養(yǎng)基中獲得了非常高的濃度為5.33mg/ml。
石墨烯“超級電池”
英國科學(xué)家發(fā)明石墨烯10年后，在電池上的應(yīng)用獲得巨大突破。西方媒體曾報(bào)道，西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研發(fā)的石墨烯電池，一次充電時(shí)間只需8分鐘，可行駛1000公里。它被石墨烯研究者稱做“超級電池”。
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(鈷酸鋰電池)、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電池。
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(shù)已經(jīng)沉寂了20年沒有大的技術(shù)革新。一位研究動力電池的專家稱，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。
特斯拉升級版的Roadster3.0采用了改進(jìn)過的鋰電池，特斯拉沒有確認(rèn)是否加入了石墨烯。不過，它的性能有大幅度的提升，恐怕只有石墨烯能做到。新改進(jìn)的18650型鋰電池的容量大幅度加大，6831節(jié)電池組數(shù)量沒有增加，但電池組的總?cè)萘繌?3kWh提高到了70kWh。
據(jù)接受采訪的專家介紹，石墨烯的結(jié)構(gòu)可以改變鋰電池技術(shù)長期沒有突破的障礙。石墨烯片材內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隔擴(kuò)大，以允許更多的電解質(zhì)“潤濕”及鋰離子電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能。
“石墨烯的特點(diǎn)是導(dǎo)電速度快，導(dǎo)電性能好，目前很多研究都在實(shí)驗(yàn)，具體哪一塊很難說，不過縮短充電時(shí)間等是肯定的。”李義春說。按照美國倫斯勒理工學(xué)院研究人員的預(yù)計(jì)，石墨烯陽極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽極充電或放電速度快10倍。
按照西班牙上述機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，石墨烯也可能大幅度增加電池的容量。“超級電池”參數(shù)顯示，其能量密度超過600wh/kg，是目前動力鋰電池的5倍;使用壽命是目前鋰電池兩倍;其成本將比目前鋰電池降低77%。
前年11月就宣布，最新發(fā)明的石墨烯超級手機(jī)電池，可存儲與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時(shí)間只需16秒。
日本在電池技術(shù)上實(shí)行兩條路線并行，除了發(fā)展普通意義上的鋰電池，他們還研究燃料電池技術(shù)，用特制的石墨烯材料替代鉑作為催化劑，來制造燃料電池車所需的氫燃料，獲得突破。
據(jù)李義春介紹，目前石墨烯的研究總體上分兩塊：一是在傳統(tǒng)鋰電池上進(jìn)行應(yīng)用，目的是改進(jìn)、提升鋰電池的性能，這類電池不會產(chǎn)生顛覆性的影響;二是依據(jù)石墨烯制造一個新體系的電池，它是一個嶄新系列的，在性能上是顛覆性的，稱作“超級電池”。
中國2015年量產(chǎn)石墨烯鋰電池
新能源汽車推廣長達(dá)5年，但效果并不理想。據(jù)工信部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2014年前11個月，我國新能源汽車?yán)塾?jì)生產(chǎn)5.67萬輛，和2015年純電動汽車和插電式混合動力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量力爭達(dá)到50萬輛的目標(biāo)差距巨大。
市場化艱難的主要原因在于使用的便捷度上：一是續(xù)航里程較低，消費(fèi)者普遍有里程焦慮;二是充電設(shè)施不完善，充電不方便影響使用。
在傳統(tǒng)的解決方案中，車企采用了先推廣混合動力車型緩解里程焦慮，消費(fèi)者可以根據(jù)實(shí)際情況選擇用油或者用電;另一個角度，國家鼓勵大規(guī)模建設(shè)充電站和充電樁，緩解充電難。
石墨烯超級電池的出現(xiàn)，可能徹底改變現(xiàn)有的充電問題。續(xù)航里程成倍增長，長途出行的里程焦慮可能徹底打破。以西班牙的超級電池為例，1000公里的續(xù)航里程幾乎接近北京到上海的直線距離，遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)汽車一箱油的行駛距離。
石墨烯充電速度提升，可以減少充電時(shí)間，宏觀上可以大范圍減少充電站和充電樁的需求。以目前全球領(lǐng)先地位的特斯拉ModelS85為例，其通過大功率的超級充電站充電，也要80分鐘才能充滿，車主等充電的時(shí)間仍然是一次煎熬。
“超級電池10分鐘的充電時(shí)間，比加一次油時(shí)間長一點(diǎn)點(diǎn)，但續(xù)航里程比一箱油要長很多，消費(fèi)者再也不會抱怨。”一位汽車業(yè)內(nèi)人士分析稱。
目前，油電混合動力車被認(rèn)為是市場上最適合由燃油車過渡到電動車的最好產(chǎn)品，而且這個過渡階段可能長達(dá)15-20年，但電池材料的進(jìn)步可能推翻這種預(yù)判，甚至連純電動車的普及也可能不需要那么長時(shí)間。
“超級電池”一旦大規(guī)模應(yīng)用到電動車上，對整個行業(yè)將是顛覆性的。“一些百年車企可能沒有這項(xiàng)技術(shù)而衰落，而一些只有十幾、二十年的車企，因?yàn)檎莆招虏牧霞夹g(shù)，可能成為新的巨頭。”
李義春介紹說，目前國內(nèi)對石墨烯電池的研究進(jìn)展順利，一些高校研發(fā)團(tuán)隊(duì)和深圳的企業(yè)進(jìn)行合作，研究已經(jīng)進(jìn)入了中試階段，“預(yù)計(jì)2015年上半年就可能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，性能會有很多提升。比如可以在不增加多少成本前提下，增加鋰電池的充放電次數(shù)，提高電池安全性等。”
中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟在2013年就已經(jīng)向國家各部委上報(bào)了多個石墨烯研發(fā)示范基地，無錫、重慶、南京、青島、常州等紛紛建立石墨烯產(chǎn)業(yè)示范基地。2014年12月，國家主席習(xí)近平親赴江蘇高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院，調(diào)研石墨烯研發(fā)及參觀產(chǎn)品展示。
不過，據(jù)石墨烯電池研究人士透露，目前國內(nèi)主要研究的是石墨烯運(yùn)用到鋰電池上，而非全新體系的“超級電池”，所以國內(nèi)技術(shù)和超級電池有一定差距。國家相關(guān)部門對此很重視，2015年出臺的“十三五”新材料規(guī)劃可能將石墨烯納入其中。
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