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当前位置: 首页>新闻> 石墨烯在电子器件和能源领域的应用

 一、石墨烯应用领域及发展途径

1、石墨烯现有应用分析
按照业内的划分,石墨烯的应用分三种。第一种属 于初级应用,领域主要是消费电子类产品;第二种 属于中高级应用,领域主要是超高频率发射器等器 件产品;第三种属于高级应用,领域主要是芯片 等。石墨烯领域的技术龙头三星公司在晶体管、柔 性透明电极、触摸面板等领域均有核心技术。 目前已知的应用领域包括电子器件领域、能源领 域、环保领域以及金属制品的电磁防护、防腐涂 料、油墨等等。
 
2、石墨烯应用发展路径
首先,目前石墨烯粉体和薄膜产品己经具备了量 产的可能性,相对应的如导电导热添加剂、防腐散 热材料、复合材料及触摸屏应用领域也有望最早实 现突破。 ◆其次,石墨烯高导电性、高比容量和比表面积的 特性己经被尝试用于改善超级电容的能量密度和充 放电速度。 ◆最后,石墨烯想象空间最大的领域是对硅的替 代,成为下一代超高频率晶体管的基础材料,应用 于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。
 
 
二、 石墨烯在电子器件领域的应用
 
1、电子器件领域总体介绍
石墨烯在电子器件领域主要用作散热材料、柔性触控 屏材料、传感器材料和芯片材料等。 目前广泛使用的散热材料是石墨、铝合金等,使用石 墨烯与塑料结合的改性产品作为现有散热材料的替 代,是相对简单的改进,石墨烯散热薄膜在我国也已 初步实现了产业化。 柔性触控屏材料和传感器材料用在消费电子类产品 上,市场需求和增长空间较大,是各个企业积极研发 的重点领域。我国在柔性触控屏领域具备一定的产业 化基础,墨西科技、二维碳素等企业已经建立了可以 进行小规模量产的生产线。 我国在传感器方面具备一定科研实力,中科院物理所 的研究人员在2015年4月发表了其设计出的石墨烯波 纹结构应力传感器相关论文。芯片材料属于石墨烯材 料的高级领域应用,目前作为国际顶尖技术企业的 IBM在石墨烯晶体管领域持续引领前沿科技。
 
2、应用于散热材料
石墨烯应用于散热材料的基础:石墨烯是已知的 导热系数最高的物质 石墨烯理论导热率达到5300W/m〃K,是常见导热 材料铜(401W/m〃K)的13 倍多,并且远高于石 墨。石墨烯所具有的快速导热特性与快速散热特性使 得石墨烯成为极佳的散热材料,用于智能手机、平板 手持电脑、大功率节能LED照明、超薄LCD 电视等 的散热。
石墨烯应用于散热材料的现状介绍 石墨散热技术由于石墨的高导热性能以及相对廉价易 生产得到了广泛的应用,包括iPhone、LG、小米、 中兴等许多品牌都手机上都应用了石墨散热这一技 术。以石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片。
 
3、应用于柔性触控屏
1、石墨烯应用于柔性触控屏的基础 石墨烯几乎完全透明,导电性能卓越,而且碳原子 的连接十分柔韧,可以用于制作透明导电膜,柔性 材料,应用于柔性电容触摸屏、OLED 面板、柔性 LCD 面板等。
2、石墨烯触摸屏触控原理 石墨烯触摸屏由上下两层粘在PET薄膜上的石墨烯 构成,没有接触的情况下,两层石墨烯被下层上放 臵的绝缘点阵阻隔而互不接触。当外界压力存在的 时候,PET薄膜和石墨烯在压力下发生形变,这样 上下两层石墨烯就发生接触,电路连通。接触的位 臵不同,器件边缘电极收集到的电信号也不一样, 通过对电信号的分析,就可以确定是触摸屏上的哪 个位臵发生了接触。
 
4、应用于传感器
1、石墨烯应用于传感器的基础:石墨烯传感器具有 稳定性强和体积小的特点 石墨烯不但具有纳米尺寸,而且具备准连续的特 点。这种准连续的纳米石墨烯薄膜可转移到柔性衬 底上,制作柔性、透明的高灵敏度应力传感器,进 而应用于人造电子皮肤等领域。 石墨烯的柔性应力传感器具有良好的稳定性,在经 过大于万次的压力测试后,其初始电阻没有明显变 化。此外,这种石墨烯电子皮肤由于厚度小,可被 黏在手指上检测关节活动。
 2、石墨烯应用于传感器的现状介绍 诺基亚专注于传感器技术并已经获得一项石墨烯传 感器专利授权,该专利产品主要应用于手机摄像头 设备。此外,中科院物理设计所科研人员近日也宣 布在石墨烯电子皮肤研究中取得进展,针对石墨烯 机械强度高导致应力测量范围不大和测量精度不高 的问题,设计出石墨烯波纹结构应力传感器,使应 力测量范围超过30%,灵敏因子提高到500以上。
 
三、石墨烯在能源领域的应用
 
1、能源领域总体介绍
石墨烯在锂电池、燃料电池等二次电池中主要有以下 方向的应用研究。在锂电池方面有两个研究方向,一 是基于石墨烯优良的电学和化学特性对锂电池材料进 行改进,通过使用石墨烯或石墨烯复合材料提升电池 的能量密度、功率密度或缩短充电时间。二是利用石 墨烯的力学性能制作柔性基体使得锂电池具备弯折、 拉伸、甚至扭曲、折叠等功能。在燃料电池方面,部 分研究证实掺氮石墨烯具备催化燃料电池反应的潜 力,如果能够替代铂,就可以有效降低电池成本。
 
2、应用于锂电池
1、石墨烯负极材料能够提高锂电池理论比容量和倍 率性能 2、石墨烯电池材料能够提高电子传导性和循环稳 定性 3、石墨烯柔性基体能够进一步提升能量密度,并提 高电池弯曲、拉伸等力学特性。
 
3、应用于太阳能电池
1、太阳能电池通过光电效应直接把光能转化成电能
2、石墨烯同时兼具高透过性和高导电性使其可能成为透明电极应用于太阳能电池
3、石墨烯是有机太阳能电池电子受体材料的很好选择
 
4、应用于燃料电池
燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发 电装臵,与其他电池相比,具有能量转化效率高、 无环境污染等优点。鉴于燃料电池技术尚不成熟, 大部分石墨烯在燃料电池的应用尚停留在理论和实 验室阶段。
1、利用石墨烯类膜材料输运特性有望解决燃料电池 核心部件“质子传导膜”的燃料渗透难题
2、掺氮石墨烯可能成为燃料电池中性能更优的储能 材料和电池阴极催化剂。
 
 
四、石墨烯的潜在应用市场
 
1、柔性锂电池商用
2019年,瑞典皇家科学院评定将年度诺贝尔化学奖授予三位对锂电池发展具有重大贡献的科学家John B. Goodenough、Akira Yoshino和M. Stanley Whittingham,这进一步加强了社会各界对于未来能源的重视。同时,随着柔性电子技术的发展,柔性锂离子电池越来越受到人们的关注和研究,但是目前该研究领域还存在三个重大难题:机械灵活性差、能量密度低、安全性差,这限制了柔性锂离子电池的商业化大规模应用。
为了解决这三个行业难题,北京石墨烯研究院院长、中科院院士刘忠范教授联合北京石墨烯研究院副院长魏迪教授研究团队采用柔性石墨烯膜作为集流体,氧化石墨烯(GO)改性聚偏氟乙烯-三氟乙烯(GO-PTC)作为凝胶电解质多孔支架,制备了高能量密度的全柔性锂离子电池(LiCoO2为负极,Li4Ti5O12为正极)。测试结果表明,该研究制备的全柔性锂离子电池具有优异的能量密度、功率密度、耐高温性、阻燃性和耐弯折性——具有2.3V的中值电压和143.0 mAh g-1的比容量(1C条件下),功率密度比以金属箔为集流体的锂电池高140 %;在经过10 0000次弯折之后,比容量基本没有损失;GO-PTC凝胶电解质经过140℃高温处理之后,还能保持最高比容量的88.5%;将该柔性锂电池切割之后,依然可以提供能量使LED灯保持发光(>3 h)。这项研究使柔性锂离子电池的商业化应用变得指日可待,可以为未来可穿戴电子产品和其他极端条件下的应用提供能源。该研究以题为“Highly-Safe and Ultra-Stable All-Flexible Gel Polymer Lithium Ion Batteries Aiming for Scalable Applications”的论文发表在《Advanced Energy Materials》期刊上。
参考文献:Shen, Wei, et al. "HighlySafe and UltraStable AllFlexible Gel Polymer Lithium Ion Batteries Aiming for Scalable Applications." Advanced Energy Materials 10.21 (2020): 1904281.
 
2、强度高达1.1GPa的石墨烯薄膜实现大规模、连续化生产
作为最早被发现和研究的二维材料,石墨烯具有非常优异的物理和机械性能,比如面内理论拉伸强度、电导率和热导率分别可达130 GPa、108 S m-1和5300 W m-1 K-1,因此被认为是最理想也是最具潜力的结构和功能材料。为了使石墨烯得到宏观应用,目前主流的策略是将小尺寸石墨烯衍生物(如氧化石墨烯GO)通过各种方法来组装宏观薄膜、纤维或块体材料。然而大量的研究结果表明,通过组装法制备的石墨烯宏观薄膜材料的力学强度远低于预测值,而造成这一问题的主要原因是在石墨烯制备过程中,石墨烯面外柔性以及溶剂挥发引起的的强毛细管力会导致薄膜中存在大量的无规皱纹。这些无规皱纹会引起应力集中以及电子、声子散射等问题,从而导致石墨烯薄膜强度、电导率和热导率的降低。
溶剂插层塑化拉伸处理GO膜过程示意图以及大规模制备的GO膜外观图
为了解决这一问题,浙江大学高超、许震团队联合西安交通大学刘益伦教授团队创造性地开发了一种溶剂插层塑化拉伸方法对连续制备的GO薄膜进行二次塑化处理,大幅度消除薄膜内部无规皱纹的同时,增加了石墨烯的堆叠结晶度和宏观、微观取向度。经过化学还原后得到的石墨烯薄膜的Herman有序度为0.93,拉伸强度和模量分别达到了1.1GPa和60.27GPa,热导率和电导率分别达到109.11 Wm-1K-1和1.09×105Sm-1,并且与环氧树脂复合后得到的结构材料强度634 MPa。同时,这种方法还可以实现大规模、连续化制备,因此在工业实际应用中表现出了极大的潜力。该研究以题为“Continuous crystalline graphene papers with gigapascal strength by intercalation modulated plasticization”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。
参考文献:Li, Peng, et al. "Continuous crystalline graphene papers with gigapascal strength by intercalation modulated plasticization." Nature Communications 11.1 (2020): 1-10.
 
3、石墨烯的魔鬼转角
图片来源于 《Nature》
说起石墨烯的魔鬼转角,我们绕不开那位天才中国少年“曹原”,连续数次在国际顶级期刊《自然》背靠背发文,早在201836日,Nature就发表了两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文。文章刊登后立即在整个物理学界引起巨大反响。一些报道称其一举解决了困扰世界107年的难题
贡献在于发现了让石墨烯实现超导的方法。具体而言,就是发现了当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度(魔角)时,就会产生以0电阻传输电子的神奇超导效应。
并且,石墨烯的“魔角”技术荣获2020年沃尔夫科学艺术奖,这一届的物理学奖获奖者授予麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero教授、德州大学奥斯汀分校的Allan H. MacDonald教授和Rafi Bistritzer博士。
43D打印+纳米技术,为可穿戴设备打造灵活又耐用橡胶石墨烯传感器
图片来源:University of Waterloo
随着过去几十年卫生保健的改善,如今,工业化国家的居民寿命更长,但健康状况往往复杂多样。急性创伤的存活率也有所提高,但这与严重残疾患者数量的增加有关。从流行病学的角度来看,美国婴儿潮一代现在已经到了开始对医疗保险制度产生严重压力的年龄。不止是美国,高度工业化国家的医疗保健系统都将面临类似的严峻挑战。
研究人员利用3D打印技术和纳米技术,为可穿戴设备制造了一种既耐用又灵活的传感器,可用于从监测生命体征到追踪运动表现等一切情况。
这项新技术由滑铁卢大学工程师开发,将硅橡胶与超薄石墨烯层结合在一起形成一种新材料,是制作腕带或跑步鞋鞋垫的理想材料。
 
以上内容参考《前瞻经济学人》
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