石墨烯電池：電動(dòng)汽車(chē)可能三分鐘把電充滿(mǎn)，石墨烯到底是什么？

　　不久前，清華大學(xué)的研究團隊發(fā)布了一項“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，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(lái)解決聾啞人的“說(shuō)話(huà)”難題。

　　在國際上，英國劍橋大學(xué)等機構的研究人員則報告說(shuō)，他們找到一種新方法來(lái)“喚醒”石墨烯的超導性，“被喚醒”后的石墨烯能夠用于制造超級計算機等。

　　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(chēng)當前最熱的全新材料。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”石墨烯則被認為向人類(lèi)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的材料，硬度比最強的鋼鐵還要強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，由于原子結構不同，金剛石是地球上最堅硬的東西，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(lái)的，只由一層碳原子在平面上構成。

　　可以說(shuō)，石墨烯的特點(diǎn)之一就是薄，堪稱(chēng)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)，它又能導電，電子在石墨烯中的運動(dòng)速度達1000千米/秒，是光速的1/300。輕薄、強韌、導電、導熱……石墨烯這些特性賦予人們很多想象空間。

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

　　石墨烯的特性，也表現得很“好玩”。比如當一滴水在石墨烯表面滾動(dòng)時(shí)，石墨烯能敏銳地“覺(jué)察”到細微的運動(dòng)，并產(chǎn)生持續的電流。這種特性給科學(xué)家們提供了一種新思路來(lái)從水的流動(dòng)中獲取電能。

　　“石墨烯可以對單個(gè)電子進(jìn)行感應，帶電粒子在石墨烯表面的移動(dòng)可引起石墨烯內電子的快速移動(dòng)，實(shí)現傳感和發(fā)電過(guò)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(shuō)，石墨烯的這一特性在能源與電子傳感方面可以有很多應用，比如在雨天可以用涂有石墨烯的雨傘來(lái)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(kāi)始預言，石墨烯的出現將引領(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(lái)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(lái)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(guò)，留下的痕跡就可能是幾層到幾十層石墨烯。此前，碳的這種二維結構形式一直存在于人們的猜想中，只是難以剝離出單層結構。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，當在紙上寫(xiě)錯字的時(shí)候，就會(huì )用透明膠帶，把錯字粘掉。但誰(shuí)也沒(méi)有想到，就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，讓人們發(fā)現了神秘的石墨烯。

　　制造石墨烯，簡(jiǎn)單說(shuō)就是要把石墨變薄，不能靠切，不能靠磨，而要靠粘。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫，用透明膠將一塊石墨片反復粘貼與撕開(kāi)，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。

　　中國電科55所微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗室高級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(mǎn)了灰色的石墨，然后再用膠帶把這些石墨轉移到了一塊干凈的硅片上。

　　吳云說(shuō)，這時(shí)候看到的都不是石墨烯，因為石墨烯不僅非常薄，而且透光度達到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(guò)專(zhuān)用技術(shù)手段。但這已經(jīng)是多層的石墨片，再通過(guò)技術(shù)手段定位并確定層數，最終才能找到制作出的單層石墨烯。

　　專(zhuān)家說(shuō)，這只是最初生產(chǎn)石墨烯的方法。膠帶紙粘貼法演化而來(lái)的機械剝離法，只是實(shí)驗室制備石墨烯的一種方法。目前，隨著(zhù)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(lái)。

　　石墨烯將帶來(lái)什么

　　應用石墨烯材料，手機屏幕可以輕易彎曲甚至折疊

　　石墨烯的出現，有望給我們的生活帶來(lái)驚喜。手機充電可以“秒充”，手機屏幕可以輕易彎曲甚至折疊，汽車(chē)可以使用石墨烯導靜電輪胎，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)和應用引入半導體行業(yè)，石墨烯引發(fā)的技術(shù)革命很可能從我們常見(jiàn)的小小芯片開(kāi)始。

　　電子芯片的基礎材料是硅。然而，隨著(zhù)芯片上元器件越來(lái)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，幾乎到達硅材料的極限。想要繼續提高性能，該怎么辦？科研人員開(kāi)始嘗試用石墨烯部分代替硅的作用。

　　“由石墨烯制作的器件，理論上頻率可以達到硅的十倍甚至上百倍，可以在雷達上應用，大幅提高雷達的分辨率。而且在通訊、成像上都有比較廣泛的應用。”孔月嬋介紹說(shuō)，而且，當前石墨烯的研發(fā)生產(chǎn)設備和普通半導體器材生產(chǎn)設備一樣，現有的技術(shù)開(kāi)發(fā)都可以基于成熟的設備和工藝，為后續的工程化研制奠定了基礎。

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

　　孔月嬋說(shuō)，石墨烯可以通過(guò)靈活的方法轉移到任意科研人員希望的襯底上，比如電子器件上專(zhuān)用的一個(gè)塑料襯底，它具備柔性，也適合晶體管的制備過(guò)程。通過(guò)特別的石墨烯轉移技術(shù)，將帶有石墨烯的金箔附著(zhù)在了塑料片上，以之為基礎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(lái)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備，都可能靠這樣的石墨烯器件來(lái)實(shí)現。

　　石墨烯另一個(gè)被寄予厚望的應用領(lǐng)域是電能的儲存。在天津電源研究所，這里的科研人員正在開(kāi)展最先進(jìn)電容器的研究。電容器與電池一樣，都能用來(lái)儲存電能。它的優(yōu)勢在于充電速度快，幾分鐘就能充滿(mǎn)，而且可以重復使用幾萬(wàn)次。但它存儲的電量不如電池多，還無(wú)法通過(guò)存儲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(guò)涂布機涂到鋁箔上，成為我們石墨烯電容器所用的正極。”中國電科18所化學(xué)與物理電源技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室常務(wù)副主任丁飛博士說(shuō)，電容材料對電容器的性能有著(zhù)至關(guān)重要的影響。通過(guò)對石墨烯材料進(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，能夠為人們的生活帶來(lái)更多的便利。“我們正在做的改性石墨烯電容器，可以幾分鐘充滿(mǎn)，其能量密度有望在一段時(shí)間之后，接近現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)中儲存能量的大小，能量密度越高，就表示這種物質(zhì)的儲電能力越強。據丁飛介紹，目前他們所研制的改性石墨烯電容器的樣品，能量密度已達到傳統電容器的3倍以上。雖然還處于實(shí)驗室研究階段，但是石墨烯材料的強大能力讓研發(fā)團隊看到改性石墨烯電容器應用的廣闊前景。

　　未來(lái)，當充電設施越來(lái)越完善時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)使用石墨烯電池，可能花兩三分鐘就可以把電充滿(mǎn)。

　　中國電科55所所長(cháng)、微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗室主任高濤認為，即使在實(shí)驗室條件下，石墨烯的神奇性能依然沒(méi)有完全釋放出來(lái)。同時(shí)，技術(shù)層面還存在著(zhù)不少挑戰，真正大面積應用還有很長(cháng)的路要走。但通過(guò)加強需求和研究的結合，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略性新興材料將會(huì )極大改變人們的生活。