石墨烯電池：電動(dòng)汽車可能三分鐘把電充滿，石墨烯到底是什么？

　　不久前，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一項(xiàng)“智能石墨烯人工喉”的發(fā)明，利用多孔石墨烯材料的優(yōu)勢(shì)，制造出一種收發(fā)同體、適合穿戴的集成聲學(xué)器件，有望在未來解決聾啞人的“說話”難題。

　　在國(guó)際上，英國(guó)劍橋大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員則報(bào)告說，他們找到一種新方法來“喚醒”石墨烯的超導(dǎo)性，“被喚醒”后的石墨烯能夠用于制造超級(jí)計(jì)算機(jī)等。

　　浙江大學(xué)利用石墨烯制成的“碳海綿”很輕，很容易被玻璃棒上的靜電吸附。

　　石墨烯，堪稱當(dāng)前最熱的全新材料。在航空領(lǐng)域，人們用“難得的元素”形容輕得像空氣、堅(jiān)硬得像鋼鐵的性能完美的材料。此前，鈦合金算是最接近這一品質(zhì)的理想之選，而“后起之秀”石墨烯則被認(rèn)為向人類夢(mèng)想的“難得的元素”更近了一步。

　　什么是石墨烯

　　目前世界上最薄最輕最強(qiáng)的材料，硬度比最強(qiáng)的鋼鐵還要強(qiáng)100倍

　　和金剛石一樣，石墨是碳元素的一種存在形式。不同的是，由于原子結(jié)構(gòu)不同，金剛石是地球上最堅(jiān)硬的東西，石墨則是最軟的礦物之一，常做成石墨棒和鉛筆芯。石墨烯就是從石墨材料中剝離出來的，只由一層碳原子在平面上構(gòu)成。

　　可以說，石墨烯的特點(diǎn)之一就是薄，堪稱目前世界上最薄的材料，只有一個(gè)原子那么厚，約0.3納米，是一張A4紙厚度的十萬(wàn)分之一，頭發(fā)絲的五十萬(wàn)分之一。同時(shí)，它又能導(dǎo)電，電子在石墨烯中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)1000千米/秒，是光速的1/300。輕薄、強(qiáng)韌、導(dǎo)電、導(dǎo)熱……石墨烯這些特性賦予人們很多想象空間。

　　中國(guó)電科55所微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任孔月嬋博士介紹說，石墨烯的硬度非常強(qiáng)，比現(xiàn)在最強(qiáng)的鋼鐵還要強(qiáng)100倍；石墨烯的電子運(yùn)行速度也非常高，是硅的10倍，非常適合發(fā)展下一代超高頻電子器件。此外，石墨烯還是傳導(dǎo)熱量的高手，比最能導(dǎo)熱的金屬銀還要強(qiáng)10倍。

　　石墨烯的特性，也表現(xiàn)得很“好玩”。比如當(dāng)一滴水在石墨烯表面滾動(dòng)時(shí)，石墨烯能敏銳地“覺察”到細(xì)微的運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生持續(xù)的電流。這種特性給科學(xué)家們提供了一種新思路來從水的流動(dòng)中獲取電能。

　　“石墨烯可以對(duì)單個(gè)電子進(jìn)行感應(yīng)，帶電粒子在石墨烯表面的移動(dòng)可引起石墨烯內(nèi)電子的快速移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳感和發(fā)電過程。”浙江大學(xué)信息電子工程學(xué)院副教授林時(shí)勝介紹說，石墨烯的這一特性在能源與電子傳感方面可以有很多應(yīng)用，比如在雨天可以用涂有石墨烯的雨傘來進(jìn)行發(fā)電，或者可以做成靈敏的傳感器件等。

　　正是這些全面的性能，讓石墨烯受到了前所未有的關(guān)注，一些人甚至開始預(yù)言，石墨烯的出現(xiàn)將引領(lǐng)一場(chǎng)由材料進(jìn)步而引發(fā)的工業(yè)革命。

　　怎樣獲取石墨烯

　　世界上第一次得到單層石墨烯，是靠透明膠“粘”出來的

　　人們第一次獲取到石墨烯，用的是“簡(jiǎn)單粗暴”的辦法。

　　石墨烯本身存在于自然界。石墨烯是一層碳原子形成的薄片，原子之間形成一個(gè)六角形的環(huán)，環(huán)環(huán)相連形成蜂窩狀的平面。它一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層到幾十層石墨烯。此前，碳的這種二維結(jié)構(gòu)形式一直存在于人們的猜想中，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵的難題，就是怎樣讓石墨分層到極薄的薄片。

　　許多人在學(xué)生時(shí)代也都有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)在紙上寫錯(cuò)字的時(shí)候，就會(huì)用透明膠帶，把錯(cuò)字粘掉。但誰(shuí)也沒有想到，就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，讓人們發(fā)現(xiàn)了神秘的石墨烯。

　　制造石墨烯，簡(jiǎn)單說就是要把石墨變薄，不能靠切，不能靠磨，而要靠粘。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫，用透明膠將一塊石墨片反復(fù)粘貼與撕開，石墨片的厚度逐漸減小，最終形成了厚度只有0.335納米的石墨烯，也就是只有一個(gè)原子厚度的石墨烯。這是世界上第一次得到單層的石墨烯，兩位科學(xué)家因此獲得了2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　中國(guó)電科55所微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師吳云博士給記者做了演示。他把一小片石墨片粘在膠帶上面，然后對(duì)它進(jìn)行交疊的撕拉。粘了半個(gè)小時(shí)后，膠帶上面已經(jīng)布滿了灰色的石墨，然后再用膠帶把這些石墨轉(zhuǎn)移到了一塊干凈的硅片上。

　　吳云說，這時(shí)候看到的都不是石墨烯，因?yàn)槭┎粌H非常薄，而且透光度達(dá)到97%以上，幾乎完全透明，人的肉眼是根本看不到的，要找到它，還得通過專用技術(shù)手段。但這已經(jīng)是多層的石墨片，再通過技術(shù)手段定位并確定層數(shù)，最終才能找到制作出的單層石墨烯。

　　專家說，這只是最初生產(chǎn)石墨烯的方法。膠帶紙粘貼法演化而來的機(jī)械剝離法，只是實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯的一種方法。目前，隨著技術(shù)進(jìn)步，高質(zhì)量的石墨烯可以被更多地生產(chǎn)出來。

　　石墨烯將帶來什么

　　應(yīng)用石墨烯材料，手機(jī)屏幕可以輕易彎曲甚至折疊

　　石墨烯的出現(xiàn)，有望給我們的生活帶來驚喜。手機(jī)充電可以“秒充”，手機(jī)屏幕可以輕易彎曲甚至折疊，汽車可以使用石墨烯導(dǎo)靜電輪胎，避免摩擦起電發(fā)生爆燃……從航空航天、電子信息到節(jié)能環(huán)保，利用石墨烯的特性，很多領(lǐng)域很可能都會(huì)發(fā)生巨大的變化。

　　用石墨烯替代硅，可以提高電子芯片的性能?？蒲腥藛T目前正把石墨烯的生產(chǎn)和應(yīng)用引入半導(dǎo)體行業(yè)，石墨烯引發(fā)的技術(shù)革命很可能從我們常見的小小芯片開始。

　　電子芯片的基礎(chǔ)材料是硅。然而，隨著芯片上元器件越來越密集，最高端的芯片上，兩個(gè)元器件之間的距離已經(jīng)不到10個(gè)納米，幾乎到達(dá)硅材料的極限。想要繼續(xù)提高性能，該怎么辦？科研人員開始嘗試用石墨烯部分代替硅的作用。

　　“由石墨烯制作的器件，理論上頻率可以達(dá)到硅的十倍甚至上百倍，可以在雷達(dá)上應(yīng)用，大幅提高雷達(dá)的分辨率。而且在通訊、成像上都有比較廣泛的應(yīng)用。”孔月嬋介紹說，而且，當(dāng)前石墨烯的研發(fā)生產(chǎn)設(shè)備和普通半導(dǎo)體器材生產(chǎn)設(shè)備一樣，現(xiàn)有的技術(shù)開發(fā)都可以基于成熟的設(shè)備和工藝，為后續(xù)的工程化研制奠定了基礎(chǔ)。

　　科研人員還在做另一件大事。他們讓石墨烯附著在厚度只有50納米的金箔上，然后用一套新的辦法，把石墨烯完整地轉(zhuǎn)移到柔軟的塑料片上。

　　孔月嬋說，石墨烯可以通過靈活的方法轉(zhuǎn)移到任意科研人員希望的襯底上，比如電子器件上專用的一個(gè)塑料襯底，它具備柔性，也適合晶體管的制備過程。通過特別的石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)，將帶有石墨烯的金箔附著在了塑料片上，以之為基礎(chǔ)在這塊塑料片上制備出具有一定功能的電子器件。最關(guān)鍵的是，這樣的電子器件可以輕松彎曲。未來無(wú)論是可以折疊的顯示屏幕，還是能夠植入人體的可穿戴設(shè)備，都可能靠這樣的石墨烯器件來實(shí)現(xiàn)。

　　石墨烯另一個(gè)被寄予厚望的應(yīng)用領(lǐng)域是電能的儲(chǔ)存。在天津電源研究所，這里的科研人員正在開展最先進(jìn)電容器的研究。電容器與電池一樣，都能用來儲(chǔ)存電能。它的優(yōu)勢(shì)在于充電速度快，幾分鐘就能充滿，而且可以重復(fù)使用幾萬(wàn)次。但它存儲(chǔ)的電量不如電池多，還無(wú)法通過存儲(chǔ)足夠多的電能在生活里派上大用場(chǎng)。

　　“這是我們已經(jīng)做好的改性石墨烯配成的漿料，下一步我們就把這些漿料通過涂布機(jī)涂到鋁箔上，成為我們石墨烯電容器所用的正極。”中國(guó)電科18所化學(xué)與物理電源技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任丁飛博士說，電容材料對(duì)電容器的性能有著至關(guān)重要的影響。通過對(duì)石墨烯材料進(jìn)一步改性研究，科研人員正在讓電容器的儲(chǔ)電能力一步一步向電池靠攏，而同時(shí)它擁有的超快充電速度，能夠?yàn)槿藗兊纳顜砀嗟谋憷?ldquo;我們正在做的改性石墨烯電容器，可以幾分鐘充滿，其能量密度有望在一段時(shí)間之后，接近現(xiàn)有鋰電池的能量密度。”

　　能量密度是指在一定空間或質(zhì)量的物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小，能量密度越高，就表示這種物質(zhì)的儲(chǔ)電能力越強(qiáng)。據(jù)丁飛介紹，目前他們所研制的改性石墨烯電容器的樣品，能量密度已達(dá)到傳統(tǒng)電容器的3倍以上。雖然還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但是石墨烯材料的強(qiáng)大能力讓研發(fā)團(tuán)隊(duì)看到改性石墨烯電容器應(yīng)用的廣闊前景。

　　未來，當(dāng)充電設(shè)施越來越完善時(shí)，電動(dòng)汽車使用石墨烯電池，可能花兩三分鐘就可以把電充滿。

　　中國(guó)電科55所所長(zhǎng)、微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任高濤認(rèn)為，即使在實(shí)驗(yàn)室條件下，石墨烯的神奇性能依然沒有完全釋放出來。同時(shí)，技術(shù)層面還存在著不少挑戰(zhàn)，真正大面積應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。但通過加強(qiáng)需求和研究的結(jié)合，不斷在石墨烯材料的制備和器件研制方面取得重要突破，石墨烯這種新一代戰(zhàn)略性新興材料將會(huì)極大改變?nèi)藗兊纳睢?/p>