石墨烯电池：它真的能颠覆太阳能产业吗

石墨烯电池：它真的能颠覆太阳能产业吗

10月29日，英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆在中国青岛举行的中国国际石墨烯创新大会上作为明星受到欢迎，他的名字现在和世界材料石墨烯一样出名。

作为2010年诺贝尔物理学奖的获得者和石墨烯的第一个发现者，当他从一家中国企业手中接过一款创新产品——石墨烯护腰器时，他的嘴有点严肃，露出了一个微而有意义的微笑。

石墨烯是世界上最薄、最硬的碳原子单层结构材料。它具有超薄、超轻、超高强度、超强导电性、优良的室温导热性和透光性，其结构也非常稳定，不仅有望使锂电池效率提高一倍，而且有望在未来取代硅，制造新一代超级计算机。

从2004年到2010年，发现者在实验室中获得了诺贝尔奖，现在石墨烯工业正蓬勃发展。这种代表下一个时代的新型通用材料具有无限的应用前景，但其应用现状却参差不齐。一方面，石墨资源与真正的石墨烯薄膜并不密切相关，因而受到欢迎。另一方面，简单宣传石墨烯概念的产品层出不穷。

与国际上从研发到工业化的链条非常顺畅，往往以科技巨头为主导的情况相比，我国仍面临着石墨烯研发仍局限于高校和科研院所，与实际应用脱节的困境，我国石墨烯的发展方向是：工业不仅需要国家一级的指导，还需要足够的时间和耐心。

10月23日，中国国家主席习近平参观了位于曼彻斯特的曼彻斯特大学国家石墨烯研究所。当天上午，中国公司华为宣布将与美国大学合作开发新一代的ICT高性能技术，并研究如何应用这一技术。粗加工石墨烯到消费电子和移动通信设备。

华为公司创始人任正非以前曾多次谈到石墨烯。他提出了石墨烯时代将颠覆硅时代的观点，认为石墨烯时代将颠覆硅时代。他相信技术革命将在未来10到20年内爆发。

石墨烯是由单层碳原子组成的蜂窝点阵二维原子晶体。理论厚度仅为0.34纳米。石墨烯具有优异的导热性、力学性能、高电子迁移率、高比表面积和量子霍尔效应。

由于石墨烯具有独特的优异的物理化学性质，在微电子、物理、能源材料、化学、生物医学等领域显示出潜在的应用前景，2004年英国曼彻斯特大学的Andreigam和Konstantin Novoselov将石墨烯从石墨片中剥离出来，并将其用于制备石墨薄膜。荣获2010年诺贝尔物理学奖。

尽管他们使用的方法非常原始，但这一发现的重要之处在于，它打破了国际物理中半个世纪以来的结论，即无法获得稳定的石墨烯。事实上，即使在同一期《自然》杂志上，该杂志也发表了盖姆的著名论文、中国学者张元波和一位合作者的有关地球物理的文章。阿芬发表了，但诺贝尔奖并不支持后者，当时，它被认为是国内学者最接近诺贝尔奖的时期。

张元波和他的合作者，以及盖姆的团队，在2005年领导了石墨烯的全球研究。从那时起，张元波的工作重点是石墨烯的制备、电子传输特性、扫描隧道能谱和远红外能谱测量，并一直活跃在该领域的前沿。D.张元波告诉财新说，自从他们两组在石墨烯中发现新的物理现象以来，这个领域已经显示出爆炸性的增长，没有饱和的迹象。

公众每天使用的智能手机中最关键的部分是一个非常透明和导电的触摸屏。石墨烯具有这样的特性，可以制成这样的触摸屏。此外，石墨烯比透明电极材料ITO具有更好的强度和灵活性。

早在2010年，韩国尚京湾大学和三星公司的研究人员就生产了由多层石墨烯和聚酯基片组成的透明柔性显示屏，论文作者、成都大学教授洪炳喜就提出了他们的方法可以用于制造石墨烯-基于触摸传感器和平板显示器，但他也承认当时大规模生产和商业化还为时过早。

然而，他的五年发展却出乎意料，在10月底青岛召开的石墨烯创新大会上，洪炳喜表示，石墨烯透明电极已广泛应用于各种柔性光电器件，包括触摸屏传感器、有机发光二极管（OLED）和机械零件。

石墨烯以其优异的导热性能和力学性能，在传感器、聚合物纳米复合材料、光电功能材料、药物控释等领域有着广泛的应用前景。

石墨烯具有较大的比表面积，这使得制造高灵敏度传感器成为可能。一旦气体被吸附在石墨烯表面，它的表面电阻就会改变。然后，与电传感器检测器结合，石墨烯可以成为一种优良的气体传感器。

石墨烯的气体吸附性能也使其成为一种新的储氢材料，在室温和安全压力下能快速可逆地吸收和解吸氢气，具有较高的热稳定性。

石墨烯具有独特的二维层状结构和良好的生物相容性，是一种良好的药物载体，科学家将石墨烯与抗肿瘤药物反应，生成能在人体内缓慢释放药物的化合物，药物负荷远高于传统药物载体。

中国科学院金属研究所研究员程慧明表示，石墨烯在清洁能源领域有着广阔的应用前景，清洁能源的最大问题是稳定性和移动存储，主要的存储方式是超级电容器和电池，它们需要满足高能量密度、高功率的需求。石墨烯具有高强度、高可靠性、长寿命等优点，可提高锂电池电极的导电性，将石墨烯混合物应用于锂电池中，其射程可提高到400多公里。

另一方面，它用于灵活的储能，未来灵活的可穿戴设备，灵活的智能设备。灵活的显示器，灵活的能源，包括灵活的锂电池，灵活的超级电容器。

盖姆在接受记者采访时表示，他对全球石墨烯研究和商业化的速度感到惊讶，几年后，他和他的同事因2010年发现石墨烯而获得诺贝尔物理学奖。

人们所知道的最有趣的事情之一是，安德烈根用透明胶带获得了诺贝尔石墨烯奖。事实上，他们在用透明胶带获得石墨烯后，开始开发机械化的石墨烯制备方法。2004年，他们成功地用微机械剥离法制备了单层石墨烯。

这种方法当然比较原始，虽然可以得到晶体结构比较完整的石墨烯，但得到的石墨烯尺寸很小，一般在10微米到100微米之间。存在着产量低、成本高的缺点，不能满足工业化和大规模生产的要求。

从那时起，人们就认为石墨烯不一定是用石墨来制备的，而是通过使碳原子形成一层薄膜来制备的。化学气相沉积（CVD）已经应运而生。这种方法是将乙烯或乙炔引入反应室，并在高温下分解这些气体。冷却后，碳原子沉积在基体表面形成石墨烯。最后，通过化学蚀刻去除金属基底，或通过线圈到线圈的方法转移到聚合物薄膜上。

CVD虽然能满足大规模高质量制备石墨烯的要求，但其成本高、工艺复杂，限制了其在现阶段石墨烯制备中的应用。

北京大学纳米化学中心教授彭海林告诉记者，他们发现三聚氰胺可以用来预处理铜箔，以降低铜箔上的凝点，从而形成大的石墨烯薄膜，提高薄膜的透明度、导电性和一致性。然后采用逐卷法将石墨烯薄膜转移到聚合物聚酯薄膜上，得到高质量的石墨烯薄膜。

如果将金属纳米线封装在石墨烯与柔性塑料基片之间，在卷对卷转移过程中形成复合导电膜，则可以显示出优异的导电性、透明性、柔韧性、机械稳定性、剥离性和耐化学腐蚀性。

他们利用石墨烯和银纳米线复合电极制备了电致变色器件，具有良好的显色性能、快速的显色对应时间和稳定的循环性能，该复合电极在下一代柔性电子和光电子学领域具有巨大的应用潜力。

氧化石墨还原法是目前对石墨烯膜面积要求不高的地区最常用的制备石墨烯的方法之一，早在上世纪中叶就提出了这种方法，目前已被广泛应用，在强氧化剂的作用下，通过扩展SPA形成氧化石墨烯单层。水或有机溶剂中的石墨层和超声波处理。氧化石墨烯单层被还原剂还原生成石墨烯。

但石墨烯粉末是该方法得到的主要产物，缺陷多，电性能和机械性能差，需要用浓硫酸作氧化石墨。工业废水的处理是一个难题。

另一种主要方法是溶剂汽提法。其原理是将少量石墨分散在溶剂中，形成低浓度的分散液。超声波作用破坏了石墨层间的分子力。此时，溶剂可以逐层插入石墨层和剥离层制备石墨烯，这种方法不像氧化还原法那样破坏石墨烯的结构，可以制备出高品质的石墨烯。

由于整个液相剥离过程没有在石墨烯表面引入任何缺陷，为其在微电子、多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景。缺点是产量很低。

可以看出，不同的石墨烯制备技术对石墨烯生产商来说非常重要，因为它们不仅影响石墨烯的尺寸，而且影响质量和成本，以及应用领域。石墨烯纳米片可用于印刷电子、导电油墨、锂离子等储能装置。用化学气相沉积法制备的石墨烯具有膨胀性、高导电性和大规模生产的潜力，可成功应用于高端电子领域。

由于制备方法的巨大差异，石墨烯粉末和CVD薄膜的价格千差万别，例如一克石墨烯粉末只需要不到10元，而一平方米的石墨烯薄膜需要几十到几百元，其重量实际上不到1毫克。

海通证券资深分析师史毅指出，液相氧化还原法是目前大规模生产的主要制备方法。制备的石墨烯价格可降至10元/克以下，大部分成品为粉末和浆状，可间接形成薄膜，适用于中低端应用，可直接用CVD法制备石墨烯薄膜，质量较高，性能较好，但价格昂贵。未来，如果技术进步和需求放大导致规模效应，预计成本将迅速下降。

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