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    告别一天一充电 石墨烯改变未来不靠谱?

      [  中关村在线 原创  ]   作者:  |  责编:芦杉
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    1获诺贝尔奖仅6年时间

      石墨,一直以来我们都很熟悉。  

      海湾战争时,石墨炸弹在“沙漠风暴”行动中首次登场。美国海军发射舰载战斧式巡航导弹,向伊拉克投掷石墨炸弹,攻击其供电设施,使伊拉克全国供电系统85%瘫痪。在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极,石墨垫圈、电话零件,电视机显像管的涂层的材料也是石墨。石墨可谓人尽皆知。那么最近大热的石墨烯又是什么物质呢?

    告别一天一充电 石墨烯改变未来不靠谱?
    告别一天一充电 石墨烯改变未来不靠谱?

      我们经常可以在各种科技网站中看到石墨烯的新闻。似乎这种新材料具有很大的潜力,可以影响多个行业。甚至有人说这是未来材料革命的核心技术。那么这种说法靠谱吗?其实石墨烯的确也是香饽饽一个。2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov),成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。仅仅6年的时间,一种新材料的发现,就被诺贝尔物理学奖所肯定,由此也可见石墨烯的重要性。

    告别一天一充电? 深度解析被神化石墨烯
    安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)

      从技术看,石墨烯和石墨的关系非常的密切。石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。

    告别一天一充电? 深度解析被神化石墨烯
    单层石墨烯及其派生物示意图

      石墨烯是一种二维材料,也是未来科技研究的一个重要方向。在科幻圈非常火热的《三体》小说中,就对于这种研究方向进行了渲染。外星高等文明三体人制造的智子用于监视并锁死地球的基础科学。这种微观计算机通过将质子二维展开,将二维的质子改造成计算机后转回到高纬来制作。

      当然石墨烯还没有如此出神入化,但是石墨烯给予很多人非常的深刻的印象,石墨烯能否改变我们未来的生活呢?今天我们就来深度解析石墨烯这种大名鼎鼎的材料。


    2胶带粘出来的高科技?

      石墨烯虽然是高科技材料,但是很容易得到。只要使用胶带在粘在石墨的表面,撕下来之后,经过一定的处理就可以得到石墨烯了。当然这种原始的方法,不能适应大规模的生产。(石墨烯的制备一直是个大问题,我们之后再谈。)石墨烯是一种碳纳米二维材料,平面像六角的蜂巢结构,质料非常牢固坚硬,在室温状况,传递电子的速度比已知导体都快,而全材料仅一个碳原子厚度,是全世界已知材料最薄的。其实分析石墨烯的性质,可以从不同的角度来看。

    告别一天一充电? 深度解析被神化石墨烯
    石墨烯的应用市场

      ■力学性质:已知机械强度最高的材料

      石墨烯是人类已知机械强度最高的材料,它的杨氏模量高达1TPA,比钢铁还高200倍。因此石墨烯可以制成碳纤维、复合材料、复合金属等,在航空等领域有一定的潜力。

      杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量。

      ■热学性质:导热性能良好

      石墨烯的导热性能优于碳纳米管。普通碳纳米管的导热系数可达3500W/mK,理论值甚至高达6000W/mK,是目前导热率最高的天然材料金刚石的2.5倍。因此石墨烯在需要导热的领域,也是前景巨大。其实我们日常使用的手机、笔记本电脑等产品都需要良好的导热。

    告别一天一充电 石墨烯改变未来不靠谱?
    石墨烯具有多种优质特性

      ■光学性质:透明度高

      石墨烯单层对可见光仅2.3%的吸收,透明度为97.7%。利用这个性质,可以代替目前液晶面板使用的ITO导电玻璃,因为ITO玻璃的基本要求就是导电和透明度,显然石墨烯是有这样的优势的。

      ■电学性质:比表面积大

      石墨烯有很大的比表面积,可以携带更多的锂离子,得到和失去锂离子的速度都很快,这种特性给锂电池增加容量,加快充放电速度提供了物理基础。这样我们以后的手机电池,就可以不必一天一充了。

      比表面积是指单位质量物料所具有的总面积

      其实石墨烯还有很多的特性,但是可以应用在IT行业的特性,主要就是上面几种。屏幕和电池是石墨烯的主攻市场。虽然我们上面分析了石墨烯具有的特性,但是实际的应用面临的问题也很多。接下来我们就分析一下石墨烯在屏幕以及电池行业的发展。

    3液晶屏幕的升级大招?

      上面我们提到石墨可以用来制成新的导电极,用于替代ITO玻璃。液晶分子的运动与排列都需要电子来驱动,因此在液晶的载体——TFT玻璃上,必须有能够导电的部分,来控制液晶的运动,这里将会用ITO(Indium Tin Oxide,透明导电金属)来做这件事情。ITO是透明的,这样才不会阻挡背光。

    告别一天一充电? 深度解析被神化石墨烯
    石墨烯单层透明度为97.7%

      目前ITO的透过率已经在90%左右了。而石墨烯单层对可见光仅2.3%的吸收,透明度为97.7%,从90%到97.7%,提升了7.7%的透过率,这也是石墨烯制作液晶屏幕的优势。那么这种优势是否值得关注呢?笔者认为从目前的产业发展来看,石墨烯的胜算并不大。

    告别一天一充电 石墨烯改变未来不靠谱?
    石墨烯更适合用来做触控模组

      目前液晶屏幕亮度已经很高,手机的面板已经可以做到500nit左右,所以90%上升到97.7%,对于用户的直观感觉提升并不大,况且用户对于超高亮度的液晶屏幕需求也并不高,毕竟在太阳底下使用屏幕的情况并不多。其次97.7%的石墨烯是单层的石墨烯,因为石墨烯每增加一层厚度,光透过率降低2%-3%。而单层石墨烯应用在液晶屏幕里是不太可能的。

      单层的石墨烯对于蚀刻的要求非常的严苛,如果采用单层的方案,产品的良率就成了问题。并且单层石墨烯的电阻很大。虽然石墨烯的导电性很强,但是单层的石墨烯结构不完整,因此电阻会成倍增加,这也是一个挑战。从目前的行业来看,石墨烯替代ITO玻璃的优势并不大,因此笔者不看好其在屏幕领域的发展。

    4一天一充电可不容易

      石墨烯电池也吵得很热,这是因为目前的电池技术,已经接近20年没有长足的进步了。我们在使用智能手机的时候,也强烈感受到电池技术的桎梏。石墨烯有很大的比表面积,但是在试验中,石墨烯做负极的锂电池循环寿命很差,充放电快,但是用不了太久。于是人们就开始研发各种各样的复合材料来做负极,试图找到一种材料,能把充放电速度快、长循环寿命、高能量密度结合起来。但是目前这种努力还没有成果。

    告别一天一充电? 深度解析被神化石墨烯
    石墨烯电池的成本高

      此外把一个电极的材料全换成石墨烯在锂电池中应用,石墨烯主要起到的作用,一是导电剂,二是可能做电极嵌锂材料。这两点作用传统的导电碳/石墨都可以做到,纵然石墨烯放电与充电的速度更快,但是成本却非常的高昂。

    告别一天一充电 石墨烯改变未来不靠谱?
    石墨烯电池难以替代目前的产品

      相反我们国家是一个石墨资源比较丰富的国家,目前石墨的价格比较合理,所以才可以大面积的应用。对比石墨烯,由于制备技术还没有获得突破,所以石墨烯的成本很高。因此即便解决了复合电极的问题,成本的问题也不是短时间可以解决的。

      并且石墨烯做负极,理论上最多是石墨负极两倍的容量,首次效率低,性能受表面状态影响极大等特点,也使得石墨烯作负极的优势并不明显。并且目前电池领域已经开始使用硅来作为负极。硅的理论容器近石墨的10倍,因此石墨烯解决了复合材料与成本问题之后,也要面临硅的挑战。在电池领域,石墨烯要走的道路还很长。

    5石墨烯不是全能选手

      就石墨烯本身的发展来看,其遇到的最大问题,其实是制备的问题。依靠胶带来粘,实现大规模的工业化生产肯定是不现实的。目前也有很多方法用于制备石墨烯,主要分为机械方法和化学方法。一般来说机械的方法,无法实现低成本大规模的生产,而化学的方式容易破坏石墨烯的结构,一旦结构破坏了,石墨烯的各种特性都会出现变化。

    告别一天一充电? 深度解析被神化石墨烯
    石墨烯大规模制备还是问题

      从市场来看,其实石墨烯的发展前景,也未必就有多么的光明。我们都知道一个技术能否发展起来,并非仅仅看它的前沿性。研究人员给出了许多种石墨烯的应用方向,似乎石墨烯是万能的,每个领域都有不错的发展。但是一旦上升到工业层次,都需要在对应领域寻找生存空间。

    告别一天一充电 石墨烯改变未来不靠谱?
    石墨烯前景并没有想象的光明

      我们分析了石墨烯在液晶屏幕以及电池领域的发展,也是可以看到上面的问题。石墨烯必须与对应领域里的技术相结合,才可以具有发展的前景。但是石墨烯又面临对应领域技术的挑战。比如用石墨烯代替ITO如果无法实现质的飞跃,那么石墨烯的升级就变得没有必要了。

      其实这也不仅仅是石墨烯遇到的问题,比如我们一直在热议的OLED屏幕,其在特性上相比于目前的液晶屏幕,的确有着很多的优势。但是由于升级的效果不明显,所以也像石墨烯一样,发展得步履蹒跚。因此对于石墨烯,我们不必抱有太兴奋的心情,或许石墨烯最后开花结果的行业,只有那么一两个而已。 

    石墨烯必须与对应领域里的技术相结合,才可以具有发展的前景。但是石墨烯又面临对应领域技术的挑战。比如用石墨烯代替ITO如果无法实现质的飞跃,那么石墨烯的升级就变得没有必要了。

    芦杉

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