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揭开面纱 解析“石墨烯热”从何而来

导读: “充电5分钟,通话N小时。”近些年,这句广告语已经成为某品牌打出的金字招牌,如果走到手机销售柜台,热心的导购还会告诉你,这是厂家使用了“石墨烯电池”的缘故。

“充电5分钟,通话N小时。”近些年,这句广告语已经成为某品牌打出的金字招牌,如果走到手机销售柜台,热心的导购还会告诉你,这是厂家使用了“石墨烯电池”的缘故。

4月,刚刚从日内瓦车展回国的正道汽车,再次携旗下三款增程式电动概念车参加上海车展,“综合续驶1000km”、“石墨烯超级电池”,是它此次亮相车展期间最醒目的标签。

8月,又一款据称搭载石墨烯电池的电动汽车Fisker将亮相于世,这家来自美国的电动汽车制造商表示采用石墨烯技术的新车能够延长续航里程、电池寿命,同时缩短充电时间。这则消息传入国内后,媒体称之为:里程碑式的黑科技。

石墨烯又热了,这一次是因为动力电池。其实,石墨烯的热度似乎又从未降低过,但凡涉及石墨烯的投资领域,必定引来大量关注。这是一种怎样神奇的物质?揭开石墨烯的面纱,我们试图去洞悉它的真相。

揭开面纱 解析“石墨烯热”从何而来 

■最薄却最坚硬的碳

石墨烯第一次“热”起来,是在其发现者英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得诺贝尔奖的2010年。

两位科学家研制石墨烯的过程很有意思,他们将石墨分离成较小的碎片,从碎片中剥离出较薄的石墨薄片,然后用塑料胶带粘住薄片的两侧面,撕开胶带,通过反复的粘贴与撕开,获得了越来越薄的石墨片,直至最终成为单原子层的石墨烯。“通俗地讲,纸上的铅笔痕迹如果不断地被摩擦,那么最后可能就会得到石墨烯。”中国汽车技术研究中心试验研究所新能源实验室主任王芳在向记者解释这一物质时,做了一个浅显的说明,同时也揭示了其作为碳元素的本质。

“石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料,所以又称之为单原子层石墨。”在解释石墨烯的特性时,王芳谈道,“作为目前发现的最薄的材料,石墨烯的强度也最大。”比如,面积为1平方米的石墨烯层片可承受4 千克的质量,其强度约为普通钢的100倍,用石墨烯制成的包装袋,可以承受大约2吨的重量。石墨烯在室温下导电导热性能很强,电阻率甚至比铜或银还要低,而它在室温下的热导率是硅的36倍、铜的10倍多。

自然界中的奥妙是无穷的,也正是由于具有高导电性、高导热性、高强度和高刚度,石墨烯在业内被冠以“黑金”或者“新材料之王”的头衔。“它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过试验进行验证,也使得一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验,如今可以在小型实验室内用石墨烯进行。石墨烯还具有所谓的量子霍尔效应,这种诺贝尔奖量级的重要效应在以往是需要在极低温下才能显现的,石墨烯却能将它带到室温下。这是石墨烯给人类物理学研究带来的特殊意义。”王芳说。

近年来,随着新能源汽车和移动通讯设备的发展,如何改进和提升各类动力和储能电池材料的性能,成为业内一直以来关注的一个焦点问题。记者在与多位业内专家交流时了解到,将石墨烯作为基础材料添加到现有的各类电池材料中,已经成为国内各主流电池企业采用的一种普遍的电池生产方式。

据王芳介绍,目前看来,在主流应用技术中,石墨烯所扮演的角色主要有三:一是直接作为正-负极材料;二是作为导电添加剂添加到正负极电极材料中或对电极材料进行复合改性处理,提高电极导电性和充放电倍率性能;三是作为集流体或者集流体涂层,其主要作用在于提高电池功率特性。其中,石墨烯直接作为负极材料时,因其表面特性极易受到外界影响导致稳定性极差,存在首次效率低下等问题,不能满足锂离子电池的性能需求,所以在锂离子电池上的应用主要为后两种方式。

一位电池企业负责人向记者描述石墨烯在负极材料中的工作原理时谈道:“如锡基、硅基等高容量型的锂离子电池负极材料,存在的问题是随着锂离子反复地嵌入和脱出,电极在充放电过程中,体积变化较大,活性材料剥落,使得电极活性物质之间失去电接触,导致电极表现出较差的循环性能。而石墨烯凭借其独特的二维薄片结构,在充放电过程中体积变化很小,可有效抑制高容量负极材料的体积膨胀,并阻止负极材料的团聚现象。”

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