石墨烯引起材料革命 或将改变人类未来
- 2015-01-21 13:18:522244
石墨烯引起材料革命 或将改变人类未来
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。是已知的世上薄、坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8·m，比铜或银更低，为世上电阻率小的材料。
石墨烯引起的材料革命
材料是人类社会生活的物质基础，材料的发展，推动着生产关系的调整、社会的进化、时代的变迁和文明的进步，以材料为标志，人们将社会分为“石器时代”、“陶器时代”、“青铜器时代”、“铁器时代”、“硅时代”等。在现代科技时代，材料与能源、信息并称为现代科学技术的三大支柱。
我国新材料产业“十二五”发展规划提出了六大领域20个重点发展方向：类是特种金属功能材料，具有独特的声光电热磁等性能的金属材料；第二类是金属结构材料；第三类是*高分子材料；第四类是无机非金属新材料在传统无机非金属材料基础上新出现的具有耐磨等特殊性能的材料；第五类是高性能复合材料，指由两种或两种以上异质、异型、异性材料复合而成的具有特殊功能和结构的新材料；第六类是智能材料。
中国*原材料工业司副司长潘爱华指出：新材料是带动传统产业升级的革命力量，是推动中国技术创新的先导，历*每一次重大新技术的发现和某种新产品的研制成功，都离不开新材料的发现和应用。2004年，石墨烯被英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫两位科学家发现后，很快因其强度高、韧性好、重量轻等众多惊人的优良性能而被世人关注。2010年上述两位科学家因该发现而被授予诺贝尔物理学奖。随着时间的推移，石墨烯越来越多的优良性能被世人开发出来，据称在众多领域都有着极为广泛的应用，也因此被称为具有革命性意义的新材料。
石墨烯或将改变人类未来
石墨烯自2004年被英国曼彻斯特大学两位科学家发现后，很快因其强度高、韧性好、重量轻等众多惊人的优良性能而被世人关注。2010年，两位科学家因该发现而被授予诺贝尔物理学奖。近十年来，有关石墨烯的研究炙手可热，石墨烯也因其在能源、生物技术、航天航空等领域具有极其广泛的应用前景而被认为是“具有革命性意义的材料”、“二十一世纪的材料”。有专家预计，未来5至10年，石墨烯产业规模将超过1000亿美元。
目前中国、美国、欧盟、韩国、日本等国家和组织均将石墨烯的研究提升至战略高度。相关数据显示，有关石墨烯的申请逐年倍增，2009年申请数量为165篇，2012年则达到1829篇，其中来自中国的申请位居，达总量的50%以上，占据优势地位。
有专家预计，未来几年内，石墨烯将主要用于“超级电容器”、“触摸屏”、“结构材料”、“传感器”、“高性能计算机”五大领域。
突破技术障碍有革命性意义
以石墨烯为材料，可以制造出众多与人们生活息息相关的用品，如电池、夜视镜、医用扫描仪、防弹衣、避孕套、3D打印机、弯曲的手机等。而其中为人们所熟知是石墨烯聚合材料电池，即“超级电池”，其成本比传统锂电池低77%，重量也仅为传统电池的一半，但储电量却是目前市场上性能好的电池的三倍，以此为电力的电动车将会大大突破以往电池行驶里程的限制，高可以行驶1000公里，而充电时间仅为8分钟，比传统锂电池充电时间快十倍。
2014年12月26日，美国电动汽车制造商特斯拉发布了代车型Roadster（敞篷跑车）的升级版，续航里程达到644公里，比原版393公里的续航里程高出60%，电池容量则高出近70%。此前，的汽车制造商们主要以三种锂电池为动力：镍钴铝酸锂电池(钴酸锂电池)、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池。镍钴铝酸锂电池主要应用在美国，以特斯拉为代表；磷酸铁锂电池主要在中国应用，以比亚迪汽车为代表；锰酸锂电池则主要应用在日本。这三种电池，镍钴铝酸锂电池能量密度高，但高温下不稳定，磷酸铁锂电池虽然稳定，但能量密度又不高。
由于传统的锂电池功率密度受限，无法快速吸收和释放大量能量，而导致电动汽车的行驶里程、充电时间等均受到制约，这也是中国新能源汽车推广长达5年而一直没有取得预期效果的原因所在。中国预计在2015年销售纯电动汽车和插电式混合动力汽车50万辆，然而截至2014年12月，新能源汽车销售量尚且不足6万辆，差距巨大。这其中除了充电设施不完善，不便充电外，电量有限、续航里程短是关键的技术障碍。
有关研究人员介绍，目前国内主要研究的是将石墨烯运用到锂电池上，而非全新体系的“超级电池”。时至今日，传统锂电池的技术已经长达20年没有任何实质性的革新，故石墨烯“超级电池”的出现，对新能源汽车行业来说，无疑具有革命性的意义。