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突破技术限制 石墨烯规模化还需多久?

导读: 石墨烯是一种非常薄的碳晶体,仅有一个原子厚,但肉眼可见,同时其强度的钢铁的200倍、并且拥有极强的柔韧性,另外它还抗火、但却是非常棒的热导体。

  石墨烯是一种非常薄的碳晶体,仅有一个原子厚,但肉眼可见,同时其强度的钢铁的200倍、并且拥有极强的柔韧性,另外它还抗火、但却是非常棒的热导体。

  这种神奇的材料,可能是未来电池的关键、也可能重新塑造可穿戴设备和各种传感器。

  突破技术限制 石墨烯规模化还需多久?

  我们知道,可穿戴设备目前面对的一大挑战便是佩戴性。大多数智能手表仍硕大无比,手环也不够漂亮,更不用说外星人般的智能服装了,石墨烯则可以改变一切。凭借其超薄、柔性、坚固的特色,可穿戴设备无疑有更多设计空间,让可穿戴设备变得更加灵活、耐用、美观并适合穿戴。

  而石墨烯电池是一种基于二维碳材料所制作的电池,它的出现更是让材料科学界兴奋不已,在未来使用石墨烯电池可能会成为一种潮流趋势。在所有种类的电池当中,石墨烯电池拥有最高的能量密度以及最强的电能储备能力。

  在新能源汽车锂电材料方面,多篇报道重点提及这方面打开石墨烯几十亿的空间,并且有充电10分钟,行驶1000公里的消息。

  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大学合作研发的石墨烯电池,一次充电时间只需8分钟,可行驶1000公里。如果这一结果属实,那么毫无疑问电动汽车将完全颠覆传统汽油汽车,成为汽车的主力军。

  在手机电池方面,锂电池传统制造强国是日本和韩国,在石墨烯电池上他们也正在抢夺技术先机。韩国科学家早在2014年11月就宣布,最新发明的石墨烯超级手机电池,可存储 与传统电池等量的电量,但充电时间只需16秒。美国伦斯勒理工学院研究人员也预计,石墨烯阳极材料比如今锂离子电池中惯用的石墨阳极充电或放电速度快10 倍。

  7月8日,国内最早进入石墨烯领域的上市公司之一东旭光电推出了世界首款石墨烯基锂离子电池产品——“烯王”。其在满足5C条件下,可实现15分钟内快速充放电,是普通充电产品的1/24,而且能在-30~80℃环境下工作,循环寿命更高达3500次左右。据悉,“烯王”产品将先在动力玩具、智能家居、动力工具、低温储能等方面应用,后续随着技术成熟和经验积累,将尝试扩展到电动汽车领域。

  这种神奇材料的制造方法:

  1、氧化还原法(性能差、不纯)

  2、微机械剥离法(成本高、产率低)

  3、化学气相沉积法(成本高、性能不稳定)

  4、外延生长法(成本极高,难度大)

  可是!生产成本昂贵一直是难题,最高达到5000元/克。

  据不完全统计,目前全球已有近300家公司涉足石墨烯研究,包括IBM、英特尔、美国晟碟、陶氏化学、通用、杜邦等。其中,三星、IBM、东芝、韩国科学技术研究所、韩国成均馆大学等企业和高校具有较高竞争力。但是大部分企业并没有在石墨烯电池领域予以布局,相关的专利也十分有限,他们大都布局在柔性器件半导体显示屏等方面。

  应用一:石墨烯触摸屏

  这应该是石墨烯呼声最高的应用。智能手机最关键的一部分就是有一块既能导电又非常透明的触摸屏。恰好,这正是石墨烯的特性!而且石墨烯的强度和柔韧性,都比目前的透明电极材料氧化铟锡(ITO)要更好。

  早在2010年,韩国成均馆大学和三星公司的研究人员,就制造出由多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲显示屏。当时,论文通讯作者、成均馆大学教授洪秉就提出,他们的方法可用于制造基于石墨烯的太阳能电池、触摸传感器和平板显示器。但他当时也承认,大规模制造和商业化还为时尚早。

  应用二:石墨烯墨水打印射频天线

  英国曼彻斯特大学研究人员与石墨烯生产商BGT材料有限公司合作,用压缩石墨烯墨水打印出射频天线。——科学家将石墨烯材料的应用又向前推进了一大步。这种天线灵活、环保,可廉价大批量生产,能够应用在无线射频识别(RFID)标签和无线传感器上。

  目前,大多数商用RFID标签由金属铝和铜组成,材料昂贵、制作过程复杂,而基于石墨烯的RFID标签能够大幅度降低材料成本。该研究团队已经开始计划 开发石墨烯RFID标签,以及传感器和可穿戴电子产品了。石墨烯油墨成本低且很柔软,比其他如纳米金属粒子导电油墨的性能还要强大很多。

  应用三:石墨烯灯泡

  石墨烯可调光灯泡号称可节省10%的能源,使用寿命也更长,内含由英国曼彻斯特大学所设计、外罩石墨烯的灯丝状LED。石墨烯灯泡价格每颗约15英镑,这款灯泡的设计是以传统灯泡形状为基础,石墨烯能让灯泡的导电以及散热更有效率。

  应用四:更强夜视能力的视觉传感器

  现在夜视很多用红外线系统,但是这种设备体积大是个硬伤啊。于是,研究人员将基于石墨烯的光热电探测器 (photothermoelectricdetector)整合在微机械氮化硅薄膜 (micrmachinedsiliconnitridemembrane)上。叮咚,数据来了:7~9V/W的响应在10.6微米(micron)波长 以及23ms时间常数下达成;氮化硅薄膜带来的温度隔离以及宽带红外线吸收,能实现300~500K的黑体目标(blackbodytarget)探测与成像。

  此外,石墨烯的高载体迁移率(carriermobility)可用以抵抗噪声,因此免除了冷却技术的需求,并足以在不需低温冷却的前提下侦测来自人体的热辐射。

 

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