【E課堂】一篇文章全面讀懂石墨烯

　　根據(jù)美國國家環(huán)保署(EPA)的評定，目前特斯拉Model S一次性充電續(xù)航里程至少可達265英里。盡管上述行駛距離不是特斯拉電動車的極限，但是相比傳統(tǒng)動力汽車來說，其續(xù)駛里程還是相形見拙，因為傳統(tǒng)動力汽車通常情況下的續(xù)駛里程可以達到500英里。

　　但是，特斯拉創(chuàng)始人兼CEO Elon Musk表示，特斯拉準備將Model S、即將面世的ModelX跨界車以及平價電動車型Model3的性能再度升級。“我們汽車的續(xù)航里程將有可能突破500英里。實際上，我們的開發(fā)進度非?？?，但是汽車價格可能會隨之提升。不久的將來，特斯拉電動汽車的續(xù)駛里程有望再度提升。”他在接受英國汽車雜志的采訪時說道。

　　馬斯克并沒有透露這個計劃的細節(jié)，但根據(jù)相關(guān)媒體報道，用石墨烯制造的“超級材料”有可能是特斯拉實現(xiàn)該計劃的關(guān)鍵。

　　它其實是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。它具有極好的熱導(dǎo)性能，是制造電池的理想候選材料。這種以碳為基礎(chǔ)的物質(zhì)在2003年首次被分離出來，所謂“超級材料”的硬度比鋼還要強200倍。

　　東旭光電發(fā)布世界首款石墨烯電池產(chǎn)品

　　7月8日，東旭光電在京舉辦了石墨烯基鋰離子電池產(chǎn)品發(fā)布會，推出了世界首款石墨烯基鋰離子電池產(chǎn)品——“烯王”。該產(chǎn)品與普通電池相比不僅可在滿足5C條件下，實現(xiàn)15分鐘內(nèi)快速充放電，而且可在-30~80℃環(huán)境下工作，循環(huán)壽命更高達3500次左右。

　　韓國科學(xué)家最新發(fā)明的石墨烯超級手機電池

　　鋰電池傳統(tǒng)制造強國是日本和韓國，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機。韓國科學(xué)家早在2014年11月就宣布，最新發(fā)明的石墨烯超級手機電池，可存儲與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時間只需16秒。美國倫斯勒理工學(xué)院研究人員也預(yù)計，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。

　　西班牙研發(fā)出了石墨烯電池

　　2014年12月初，西方媒體報道，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，一次充電時間只需8分鐘，可行駛1000公里。如果這一結(jié)果屬實，那么毫無疑問電動汽車將完全顛覆傳統(tǒng)汽油汽車，成為汽車的主力軍。

　　每當有一份關(guān)于石墨烯的突破性新聞出現(xiàn)時，總能在業(yè)內(nèi)引起一片狂熱之聲，尤以電池領(lǐng)域為最。在這個時候，我們更應(yīng)該冷靜下來，知道石墨烯是什么、究竟能有什么效果，以及它目前面臨的最大問題。

　　石墨烯是21世紀最具顛覆性的新材料，借助“石墨烯+”戰(zhàn)略平臺，可以為一大批傳統(tǒng)材料的性能提升與應(yīng)用拓展提供有力支撐，同時衍生出一系列性能優(yōu)異的新一代功能元器件，在諸多傳統(tǒng)領(lǐng)域和新興領(lǐng)域的應(yīng)用都將引起相關(guān)行業(yè)革命性的變革，成為引領(lǐng)新一代工業(yè)技術(shù)革命的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。目前，石墨烯行業(yè)正處于從技術(shù)向商業(yè)演變的關(guān)鍵時期，大規(guī)模應(yīng)用即將到來。

　　石墨烯是一種由碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維晶體，是英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈˙海姆教授和康斯坦丁˙諾沃肖洛夫教授率先于2004年通過一種簡單的方法從石墨中剝離得到了單層石墨烯。在目前得到的二維材料里，石墨烯厚度最薄、比表面積較大，是人類已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。正是由于這些優(yōu)異的物理性能及巨大的應(yīng)用前景，石墨烯的發(fā)現(xiàn)者于2010年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

　　由于石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，其也表現(xiàn)出許多其它材料不具有的特異性能。

　　1.導(dǎo)電性極佳：石墨烯中載流子電子和空穴是連續(xù)的，遷移率可以到達1×105 cm2/Vs，電子的傳輸速度達到光速的1/300，大大超過了在一般金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體中的傳導(dǎo)速度，因而其擁有極好的導(dǎo)電性。

　　2.超高透光率：單層石墨烯在很寬的波長范圍內(nèi)的吸光度僅為2.3%，也就是單層石墨烯的透光率達到97.7%，遠遠高于透明導(dǎo)電薄膜國際通用標準85%的要求。

　　3.超高強度：石墨烯被發(fā)現(xiàn)是繼碳納米管之后具有最高彈性模量和強度的材料。其強度是世界上最好的鋼強度的100倍，硬度比自然界中最硬的材料金剛石還高，同時又擁有極好的柔韌性，可以隨意彎曲。

　　4.超高熱導(dǎo)率：和石墨、金剛石和碳納米管相似，石墨烯也擁有非常高的熱導(dǎo)率，自由態(tài)的單層石墨烯在室溫下熱導(dǎo)率可以達到5000 W/mK，是目前已知的導(dǎo)熱率最高的材料。

　　5.超大比表面積：由于石墨烯的厚度只有一個碳原子厚，因此單層石墨烯擁有超大的比表面積，可以達到2630 m2/g，遠遠大于普通活性炭的比表面積。

　　如果單看這些屬性，那么石墨烯簡直表現(xiàn)完美。唯一不完美的，在于怎么能夠大量制備。