Статья, полностью посвященная графену.

Всякий раз, когда появляются прорывные новости о графене, они всегда вызывают ажиотаж в отрасли, особенно в области аккумуляторов. На этом этапе мы должны успокоиться и узнать, что такое графен, на что он способен и с какой самой большой проблемой, с которой он сейчас сталкивается.

Графен представляет собой двумерный кристалл, состоящий из плотно упакованных атомов углерода. Профессор Андре Хейм и профессор Константин Новоселов из Манчестерского университета взяли на себя инициативу в 2004 году с помощью простого метода. Одиночный слой графена был получен путем удаления графита. Среди двумерных материалов, полученных в настоящее время, графен имеет самую тонкую толщину и большую удельную поверхность, а также материал с самой высокой прочностью, лучшей ударной вязкостью, самым легким весом, самым высоким коэффициентом пропускания и лучшей проводимостью. Именно благодаря этим превосходным физическим свойствам и большим возможностям применения основатели графена получили в 2010 году Нобелевскую премию по физике.

Из-за особой структуры графена он также проявляет особые свойства, которых нет у многих других материалов.

1. Отличная проводимость: электроны-носители и дырки в графене непрерывны, а подвижность может достигать 1 &; TImes; 105 см2 / Вс, электроны передаются со скоростью 1/300 скорости света, что значительно превышает скорость проводимости в обычных металлических проводниках и полупроводниках, и, следовательно, имеет отличную проводимость.

2. Сверхвысокая светопроницаемость: монослойный графен имеет светопоглощение всего 2,3% в очень широком диапазоне длин волн, то есть монослойный графен имеет светопроницаемость 97,7%, что намного выше, чем 85% международного стандарта для прозрачные проводящие пленки.

3. Сверхвысокая прочность. Было обнаружено, что графен является материалом с самым высоким модулем упругости и прочностью после углеродных нанотрубок. Его прочность в 100 раз превышает прочность лучшей стали в мире. Его твердость выше, чем у самого твердого в природе алмаза. В то же время он обладает отличной гибкостью и может сгибаться по желанию.

4. Сверхвысокая теплопроводность. Подобно графиту, алмазу и углеродным нанотрубкам, графен также обладает очень высокой теплопроводностью. Однослойный графен в свободном состоянии имеет теплопроводность 5000 Вт / мК при комнатной температуре, которая известна в настоящее время. Материал с самой высокой теплопроводностью.

5. Увеличенная удельная поверхность. Поскольку графен имеет толщину всего один атом углерода, однослойный графен имеет увеличенную удельную поверхность, которая может достигать 2630 м 2 / г, что намного больше, чем удельная поверхность обычного активированного угля.

Если вы посмотрите только на эти свойства, графен идеален. Единственное, что не идеально - это как его готовить в больших количествах.

Технология получения графена

Появление графена вызвало огромную волну в научном сообществе. С 2006 года количество исследовательских работ резко увеличилось. В качестве нового потенциального материала для "посткремниевого века" для формирования транзисторов и схем нанометрового размера также применяются исследования и разработки графена. В мире произошел резкий рост. США, Южная Корея, Китай, Япония и другие страны особенно активны в исследованиях.

В настоящее время многие крупные международные производители, такие как Dow Chemical, Samsung, IBM, Huawei и Apple, активно продвигают индустриализацию графена. С 2004 года количество международных патентных заявок на графен достигло нескольких тысяч. Он в основном используется для получения графена, приложений в области энергетики, приложений в технологии дисплеев, графеновых наноматериалов и графеновых композитов. Однако в мировом масштабе нет прецедентов массового производства. В основном это связано с тем, что способ и способ, пригодные для массового производства, еще не найдены. Это также причина того, почему стоимость графена остается высокой.

В настоящее время существует пять основных методов производства графена: механическая очистка, осаждение из паровой фазы (CVD), термическое разложение SiC и окислительно-восстановительный потенциал. Среди них наиболее близким к реальному производству является метод осаждения из паровой фазы.

Возможные применения графена в автомобильной промышленности

Графен - это своего рода двумерный углеродный материал с очень высоким техническим содержанием и широким потенциалом применения. Он имеет широкие и даже подрывные перспективы применения во многих отраслях. Автомобильная промышленность - это интегрированная отрасль, основанная на многих отраслях, поэтому графен также имеет важное прикладное значение и перспективы для автомобильной промышленности.

1. Применяется к литий-ионным аккумуляторам, значительно сокращает время зарядки и увеличивает емкость аккумулятора.

В настоящее время в аккумуляторных батареях, используемых мировыми производителями автомобилей, в основном используются литиевые батареи, литий-никель-кобальталюминатные батареи, представленные Tesla, литий-железо-фосфатные аккумуляторы, представленные BYD, и манганаты лития, представленные японскими автомобилями.

Эти три типа батарей имеют самую высокую удельную энергию из литий-кобальто-кислотных батарей, но они также являются наиболее нестабильными при высоких температурах; Литий-железо-фосфатные батареи наиболее стабильны, но плотность энергии самая низкая. Литий-ионные аккумуляторы молчали в течение 20 лет без серьезных технологических инноваций. Самым большим препятствием является то, что литий-ионные батареи имеют ограниченную плотность мощности, и их большое количество энергии не может быть быстро получено или высвобождено (то есть они не могут обеспечить быструю зарядку и разрядку).

Графен применяется в литий-ионных аккумуляторах из-за его чрезмерной подвижности носителя, что может значительно сократить время зарядки; А благодаря его стабильности можно улучшить стабильность цикла работы от батареи. Кроме того, дополнительная площадь поверхности также может увеличить емкость аккумулятора.

Модернизированная версия Tesla Model S использует улучшенные литиевые элементы. Емкость недавно улучшенного литиевого элемента 18650 была значительно увеличена. Количество аккумуляторов в 6831 не увеличилось, но общая емкость аккумуляторов увеличилась с 53 кВтч до 70 кВтч. Тесла не подтвердил, был ли добавлен графен, но его характеристики настолько улучшились, что только графен может это сделать.

Традиционными странами-производителями литиевых батарей являются Япония и Южная Корея, и они также лидируют в технологии графеновых батарей. Южнокорейские ученые объявили в ноябре 2014 года, что недавно изобретенная графеновая супер-батарея для мобильного телефона может хранить такое же количество энергии, как и обычная батарея, но время зарядки составляет всего 16 секунд. Исследователи из политехнического института Ренсселера в США также ожидают, что материалы графеновых анодов будут заряжаться или разряжаться в 10 раз быстрее, чем графитовые аноды, используемые в современных литий-ионных батареях.

В начале декабря 2014 года западные СМИ сообщили, что графеновая батарея, разработанная испанской компанией Graphenano и Университетом Корвадо в Испании, может путешествовать всего на 1000 минут всего за 8 минут. Если этот результат верен, то нет никаких сомнений в том, что электромобили полностью подорвут традиционный бензиновый автомобиль и станут главной силой автомобиля.

2. Материалы для защиты поверхности

Графен имеет стабильную структуру, коррозионную стойкость, стойкость к окислению, высокую прочность и легко растет на различных металлических поверхностях. Его можно широко использовать для защиты поверхностей металлических материалов. В то же время, благодаря своей проводимости и высокой теплопроводности, он также может широко использоваться для защиты и антистатики органических материалов. Представьте, что если вы покрыли поверхность автомобильной панели графеном, вам больше не нужно беспокоиться о том, что автомобиль поцарапается!

3. Замените кремний на интегральные схемы, чтобы помочь без драйверов

Кремний привел нас в эпоху электроники. Поликристаллический кремний стал основным сырьем для полупроводниковой промышленности и использовался в качестве подложки для интегральных схем. С усовершенствованием техпроцесса скорость работы кремниевых чипов достигла уровня ГГц. Однако с постоянным развитием технологий требования к скорости компьютеров становятся все выше и выше.

Однако микросхемы на основе кремния ограничены собственными характеристиками материала, и трудно увеличить скорость обработки после достижения 4-5 ГГц, и она постепенно перестает отвечать требованиям людей к скорости. Среди множества альтернатив графен наиболее примечателен своей сверхпрочностью, сверхвысокой теплопроводностью и сверхпроводимостью.

Процессоры, изготовленные с использованием графена в качестве матрицы, могут достигать ТГц (то есть 1000 ГГц). IBM разработала сверхбыстрый графеновый транзистор в 2010 году. Его максимальная частота может достигать 230 ГГц, что намного превышает нынешний кремниевый транзистор. Скорость бега. В июле 2014 года IBM объявила, что инвестирует еще 3 миллиарда долларов США в разработку технологии углеродных чипов, включая графен. Графен, вероятно, заменит кремний в будущем в качестве основного материала для полупроводниковой промышленности.

Беспилотные технологии находятся на подъеме. Это требует сверхбыстрой вычислительной мощности. Системы хранения и обработки данных требуют очень высоких требований к интегральным схемам. Существующие чипы на основе кремния сложно полностью удовлетворить их потребности. Разработка и применение графеновых углеродных чипов решит это техническое узкое место и обеспечит надежную вычислительную поддержку.

4. Применитесь к суперконденсаторам, идеальное ускорение

Суперконденсаторы - это новый тип накопителя энергии. По сравнению с аккумуляторными батареями, они могут заряжать неограниченный ток, поэтому скорость зарядки и разрядки очень высока. Они могут завершить процесс зарядки и разрядки за несколько секунд, обладают высокой мощностью и длительным сроком службы. Функции. Комбинация суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора может эффективно решить проблему медленного разгона электромобилей.

Из-за большой площади поверхности графена суперконденсатор с графеном в качестве электрода имеет сверхвысокую емкость, которая может достигать сотен Ф / г, что намного выше, чем у суперконденсатора с другими материалами в качестве электрода. и больше подходит в качестве силового элемента. Источник питания.

5. Изготовление сверхэффективных солнечных батарей и складных дисплеев вместо ITO.

2 июля этого года Hanergy анонсировала четыре концептуальных автомобиля, использующих солнечную энергию в качестве источника энергии. Если однажды в автомобильной отрасли удастся продвинуть одну идею, вполне вероятно, что спрос на солнечные элементы в автомобильной промышленности значительно возрастет. В настоящее время прозрачный проводящий материал, используемый в солнечных элементах, дисплеях и сенсорных экранах, в основном представляет собой оксид индия и олова (ITO). Однако из-за того, что коэффициент пропускания ITO для инфракрасного света на самом деле относительно низок, эффективность использования солнечных элементов для солнечной энергии все еще относительно низка. Кроме того, материалы ITO имеют низкую вязкость, что может повлиять на эффект отображения при складывании или растяжении.

Графен обладает очень высокой проводимостью из-за своей особой структуры. В то же время он практически прозрачный. Скорость светопропускания чрезвычайно высока для всех диапазонов. Это ультра-превосходный прозрачный проводящий материал, поэтому он широко считается заменителем ITO.

В области солнечных батарей лидирует японская компания Fuji Electric. Полученный лист графена имеет проводимость в несколько раз больше, чем ITO, и может гарантировать, что 90% оптической передачи достигли уровня, который может полностью соответствовать целевым показателям. В области дисплеев и сенсорных экранов графен имеет более высокую прочность и лучшую ударную вязкость, чем текущие основные материалы ITO. Из прозрачного проводящего материала можно сделать гибкое устройство отображения.

6. Графеновый аэрогель для очистки отработанного воздуха, носитель катализатора.

Очистка внутреннего и вытяжного воздуха всегда была важной задачей в области защиты окружающей среды в автомобилях. В 2013 году профессор Гао Чао с факультета науки о полимерах Чжэцзянского университета произвел самый легкий в мире материал - сверхлегкий аэрогель графен с плотностью всего 0,16 мг / см3. Этот материал отличается простотой приготовления и отличными эксплуатационными характеристиками. Он обладает высокой эластичностью и может быть восстановлен в исходное состояние после сжатия на 80%. В то же время он обладает сверхбыстрой и сверхвысокой адсорбционной способностью, и на сегодняшний день это материал с самой высокой маслоемкостью. Он может широко использоваться в очистке воздуха, каталитических носителях и других областях и имеет большое значение для очистки воздуха внутри помещений и каталитического восстановления выхлопных газов.

Резюме: долгий путь впереди, с нетерпением жду будущего в суете и суете.

Графен, полученный путем удаления метода механической очистки из других процессов, не может обеспечить стабильное качество, а метод механической очистки крайне неэффективен. Следовательно, существующие синтетические технологии не могут быть адаптированы для промышленного применения. Это также ограничения процесса приготовления, которые приводят к тому, что цены на графен все еще остаются относительно высокими. Все приложения для графена пока находятся в стадии лабораторных исследований. Для приложений графена, пока процесс приготовления не станет зрелым, его стоимость может быть снижена до уровня, который может быть коммерциализирован, а его практическое применение и индустриализация можно охарактеризовать как долгий путь.

Ввиду отличных характеристик и огромных перспектив применения графена, правительства и компании вложили много рабочей силы, материальных ресурсов и финансовых ресурсов для проведения исследований графена. Возможно, чтобы привлечь постоянное внимание и инвестиции, компании часто заявляют, что создали очень мощные графеновые продукты, что, по мнению автора, представляет собой настоящую суматоху.

Однако именно в этой суматохе и огромных инвестициях исследования графена действительно дали много хороших результатов. Цена на графен медленно снижалась, и постепенно был разработан более крупный графен более высокого качества. Производственные цепочки, расположенные ниже по течению, также постепенно пытаются использовать графен.

С точки зрения технической зрелости и актуальности спроса, его применение для литий-ионных аккумуляторов для повышения эффективности зарядки и разрядки аккумуляторов, емкости аккумуляторов и стабильности аккумуляторов, очевидно, играет решающую роль в разработке автомобилей, особенно электромобилей. Для того, чтобы электромобили стали мейнстримом, графен имеет решающее значение. Если принять во внимание автомобили без водителя и на солнечных батареях, графен, несомненно, будет иметь более широкое применение в автомобильной промышленности.

Конечно, перспективы огромны, но реальность хладнокровна. Из-за незрелости процесса подготовки и неполного открытия последующей производственной цепочки графен до сих пор не имеет широкомасштабного применения, и может потребоваться некоторое время, чтобы изменить этот статус-кво. Считается, что с углублением исследований уникальность графена обязательно наступит однажды, когда во многих отраслях промышленности произойдут колоссальные изменения и даже подрывная деятельность.

Страница содержит содержимое машинного перевода.