石墨烯手機(jī)電池 5秒充滿電

最近，美國(guó)科學(xué)家研發(fā)出了一種以石墨烯材料為基礎(chǔ)的超級(jí)電容器，其充電速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通電池，使用石墨烯制作的手機(jī)電池充滿電只需5秒鐘。由于使用石墨烯材料，該超級(jí)電容器體積超小且整合性強(qiáng)，被認(rèn)為將帶來(lái)手機(jī)、新能源汽車(chē)等行業(yè)的革命。對(duì)于這種前景的廣闊的新材料研究，青島有著資源、技術(shù)、資金等多方面得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，政府相關(guān)部門(mén)也予以了大力支持，目前島城有關(guān)石墨烯的研究保持在國(guó)際先進(jìn)行列。

前沿

下載一部高清電影只需一秒

美國(guó)研究人員近日公布了他們研制的一種新型電池，這種電池能在幾秒內(nèi)給手機(jī)、甚至是汽車(chē)充滿電。這種名叫微型石墨烯超級(jí)電容器的裝置的充電速度比常規(guī)電池快100倍到1000倍。該科研組表示，他們的新突破不僅將會(huì)導(dǎo)致充電更快的手機(jī)和汽車(chē)誕生，而且也會(huì)催生更小的電子產(chǎn)品。

美國(guó)華裔科學(xué)家還使用納米材料石墨烯最新研制出了一款調(diào)制器。這個(gè)只有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備的高速信號(hào)傳輸能力，銅導(dǎo)線長(zhǎng)距離傳輸速度最高可達(dá)100兆，而每個(gè)石墨烯調(diào)制器的傳輸速度比銅導(dǎo)線快約千倍。如果把10個(gè)石墨烯調(diào)制器放在一起，傳輸速度可以達(dá)到百萬(wàn)兆，上網(wǎng)速度將比現(xiàn)在快 1萬(wàn)倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待。

此外，今年1月8日，江南石墨烯研究院對(duì)外發(fā)布，全球首款手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏在常州研制成功，該成果經(jīng)上海科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所和廈門(mén)大學(xué)查實(shí)，顯示為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

探訪

2000元一克，比黃金還貴數(shù)倍

近些年，隨著針對(duì)石墨烯這種“萬(wàn)能材料”研究的不斷深入和國(guó)家對(duì)新能源領(lǐng)域的大力支持和投入，清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中科院等高校和科研院所，都在積極開(kāi)展石墨烯基微型超級(jí)電容器的研究工作，青島的科研院所在石墨烯研究中也一直保持前列。中科院青島生物能源與過(guò)程研究所崔光磊研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，正在進(jìn)行將石墨烯應(yīng)用于鋰電池以及電容器上的研究。

“這個(gè)三角瓶里的黑色物質(zhì)就是石墨烯，更確切的說(shuō)石墨烯微片，呈粉末狀。”崔老師的助手逄淑平副研究員是一位80后博士，逄博士搖著一瓶黑色懸浮液體告訴記者，“這種材質(zhì)本身很容易聚集成塊，所以制備好的石墨烯一般都存放在溶液中。”

“石墨烯說(shuō)白了就是單層的石墨，只是這種單層獲取難度相對(duì)較大。”逄淑平介紹，受制于目前石墨烯的制備方法，要想獲取完美的石墨烯單層是相當(dāng)困難的，目前雖然世界各地都有企業(yè)投資生產(chǎn)石墨烯，但其產(chǎn)品均不是完美石墨烯。“都是粘連成很多層的石墨烯，其特性雖然無(wú)法與完美的單層石墨烯相比，但已經(jīng)比現(xiàn)有石墨材質(zhì)要好很多，當(dāng)然價(jià)格也要高出許多。”品相較好的石墨烯可以買(mǎi)到2000元一克，價(jià)格是黃金的數(shù)倍。

石墨烯導(dǎo)熱膜讓電腦不再發(fā)燒

在實(shí)驗(yàn)室中，幾名身著實(shí)驗(yàn)服的學(xué)生正在做實(shí)驗(yàn)，其中一個(gè)男生就正在制作石墨烯電池。“這種學(xué)生自制的小電池雖然沒(méi)法跟超級(jí)電容相比，但經(jīng)過(guò)測(cè)試它的充電速度也比普通電池快十幾倍。”逄淑平指著實(shí)驗(yàn)室一套電池測(cè)試系統(tǒng)說(shuō)。

逄淑平博士表示，石墨烯還具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，完美的單層石墨烯其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/(mK)，比鉆石都高，基于此特性，石墨烯導(dǎo)熱膜項(xiàng)目已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外眾多科研單位及公司研發(fā)成功。目前應(yīng)用該產(chǎn)品的主要行業(yè)為智能手機(jī)行業(yè)，像咱們常見(jiàn)的iphone、小米手機(jī)等均采用石墨膜散熱技術(shù)，“其實(shí)在修蘋(píng)果手機(jī)的時(shí)候大家可以注意一下，手機(jī)電池背面黏貼的一層黑色薄膜就是石墨散熱膜，但是其散熱能力比起石墨烯來(lái)差遠(yuǎn)了”。

逄淑平博士向記者展示了他在實(shí)驗(yàn)之余制作的石墨烯散熱膜，該膜韌性很強(qiáng)，可以在一定程度上彎折，厚度在100微米左右，貼在手機(jī)電池后幾乎不增加厚度。這種石墨烯膜的散熱主要是橫向散熱，也就是說(shuō)就熱點(diǎn)沿石墨烯膜迅速傳導(dǎo)到別的地方。逄淑平博士說(shuō)，目前其實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)達(dá)到中試水品，兩臺(tái)中試高溫爐每天可以生產(chǎn)產(chǎn)品 200平米，按目前市場(chǎng)情況來(lái)看，銷(xiāo)售價(jià)格約為六七百元一平米。

前景

淡化海水將變得很簡(jiǎn)單

“石墨烯是一種技術(shù)含量非常高，應(yīng)用潛力非常廣泛的碳材料!”逄淑平說(shuō)，根據(jù)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的研究，石墨烯將在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、鋰離子電池等領(lǐng)域都將帶來(lái)革命性的技術(shù)進(jìn)步，到時(shí)候一些在理論上研究都將成為現(xiàn)實(shí)。早在1895年，火箭理論的先驅(qū)者、俄國(guó)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基就提出了“太空電梯”的設(shè)想，但它一直面臨著一個(gè)致命問(wèn)題：如何制造出一根從地面連向太空衛(wèi)星、長(zhǎng)達(dá)幾萬(wàn)公里并且足夠強(qiáng)韌的纜線，來(lái)承載“太空電梯”的上下往復(fù)。而美國(guó)科學(xué)家表示，石墨烯的出現(xiàn)，完全有能力承擔(dān)這一艱巨任務(wù)。

在觸摸屏和液晶顯示器領(lǐng)域，石墨烯也將占據(jù)一席之地。目前觸摸屏和液晶顯示器主流的透明導(dǎo)體材料是銦錫氧化物ITO 材料，但相比ITO 材料，石墨烯擁有更高的強(qiáng)度和更好的韌性，還能制成可以彎曲折疊的顯示器件，“到時(shí)候就再也不用擔(dān)心會(huì)摔破屏幕了”。而在新能源汽車(chē)發(fā)展領(lǐng)域，“目前阻礙新能源汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)很大的瓶頸就是電池容量不足，以及充電時(shí)間較長(zhǎng)，而利用石墨烯將有可能生產(chǎn)出充電快 、電容大的超級(jí)電池”。

[!--empirenews.page--]

單層石墨烯薄片僅有1個(gè)原子的厚度。利用石墨烯過(guò)濾海水，水分子可穿過(guò)石墨烯薄片中僅有1納米寬的空隙，而構(gòu)成鹽主要成分的鈉離子和氯離子則被阻擋在外。“石墨烯過(guò)濾海水的方式能耗更低，而且過(guò)濾效果更好!”逄淑平說(shuō)，石墨烯過(guò)濾器可能大幅度勝過(guò)其他的海水淡化技術(shù)。

落點(diǎn)青島石墨儲(chǔ)量豐富，已有企業(yè)跟進(jìn)

作為石墨烯的原材料，石墨是碳元素的結(jié)晶礦物之一，屬非金屬礦物，是一種珍稀的資源。我國(guó)石墨在世界上儲(chǔ)量第一、產(chǎn)量第一、銷(xiāo)量第一、品種最全。目前我國(guó)石墨礦產(chǎn)儲(chǔ)量為20億噸，占世界石墨礦石總儲(chǔ)量的72%，產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的80%，作為全國(guó)石墨資源三大主要產(chǎn)地之一，青島市石墨儲(chǔ)量占全國(guó)石墨礦產(chǎn)儲(chǔ)量的22%，僅萊西市石墨探明儲(chǔ)量687.11萬(wàn)噸，現(xiàn)保有儲(chǔ)量639.93萬(wàn)噸，為我國(guó)最重要的石墨產(chǎn)地之一。

記者也了解到，對(duì)于石墨烯的研發(fā)應(yīng)用，青島市科技局已經(jīng)立項(xiàng)攻關(guān)，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)達(dá)300萬(wàn)元，包括從石墨烯的分離方法到實(shí)際應(yīng)用。

“目前我市已經(jīng)有專(zhuān)門(mén)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)從事這方面的研究生產(chǎn)。”市科技局相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，在碳納米材料(碳納米管，石墨烯等)和高分子復(fù)合物的合成有著權(quán)威研究的，新南威爾士大學(xué)校長(zhǎng)特聘研究員劉敬權(quán)教授 ，2010年4月受聘于青島大學(xué)，并開(kāi)始對(duì)石墨烯的分離制備進(jìn)行研究。劉教授透露，該項(xiàng)研究目前已經(jīng)進(jìn)入中試階段。“實(shí)驗(yàn)室中試主要是調(diào)整配方和工藝，大約三個(gè)月時(shí)間，然后進(jìn)入企業(yè)中試。中試階段，我們就能達(dá)到年產(chǎn)百公斤石墨烯的能力。”

與此同時(shí)，中科院青島生物能源與過(guò)程研究所，崔光磊研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，正在進(jìn)行將石墨烯應(yīng)用于鋰電池以及電容器上的研究。“從鋰電池的應(yīng)用研究上，我們現(xiàn)在已經(jīng)具備了中試能力。”崔光磊的助手逄淑平博士表示。

青島市科技局的相關(guān)負(fù)責(zé)人還表示，目前已經(jīng)有企業(yè)認(rèn)識(shí)到石墨烯作為新材料所具有的的應(yīng)用前景，并愿意在這方面加大投入。青島萊西膠體石墨廠是最先投入生產(chǎn)石墨烯的企業(yè)，工廠負(fù)責(zé)人李鳳義告訴記者，他們公司在2010年就已經(jīng)著手研究石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)。由于純品石墨烯制備方法復(fù)雜耗時(shí)，他們公司目前每天石墨烯的產(chǎn)出量?jī)H為1公斤，不過(guò)這1公斤按市場(chǎng)價(jià)計(jì)算要賣(mài)到幾十萬(wàn)。“不過(guò)，到目前為止，到公司來(lái)詢價(jià)和談合作的比較多，真正購(gòu)買(mǎi)沒(méi)有多少。”李鳳義廠長(zhǎng)說(shuō)，通過(guò)這幾年對(duì)石墨烯的研究，他堅(jiān)信其有著非常廣闊的發(fā)展空間。

鏈接“搞笑科學(xué)家”膠帶粘出石墨烯

說(shuō)起石墨烯的誕生，逄淑平副研究員告訴記者，從上世紀(jì)70年代，石墨烯的概念提出之后，就不斷的有人嘗試用各種方法從石墨中分離石墨烯，但是沒(méi)有一個(gè)人成功。“學(xué)界幾乎認(rèn)為單層的碳結(jié)構(gòu)是不存在的，沒(méi)有人會(huì)相信石墨烯可以被分離出來(lái)!”但令人瞠目結(jié)舌的是，這個(gè)難題竟然被一對(duì)師徒用近乎于“玩笑”的手段給解決了。

“首次制成石墨烯的方法一點(diǎn)都不高科技，而且誰(shuí)也想不到會(huì)是用普通膠帶剝離而成!”逄淑平說(shuō)，2004年，英國(guó)曼切斯特大學(xué)的俄羅斯裔科學(xué)家安德烈海姆和他的學(xué)生康斯坦丁諾沃肖洛夫，他們用膠帶從石墨上粘下薄片，然后再反復(fù)用膠帶粘貼和撕取，最終產(chǎn)生只有一層碳原子的石墨烯，經(jīng)過(guò)處理后，他們從透明膠上取下石墨烯薄膜，在電子顯微鏡下面觀察到，室溫下，石墨烯的平面晶體結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定存在。

憑借這個(gè)發(fā)現(xiàn)，海姆和諾沃肖洛夫獲得了2010年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。頒獎(jiǎng)典禮上，組委會(huì)說(shuō)：“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可以和愛(ài)迪生發(fā)明電燈媲美。”此外，逄淑平介紹，安德烈海姆還是個(gè)怪才，他是世界上第一個(gè)既獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，又獲得了搞笑諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家。在2000年，海姆和邁克爾貝瑞爵士使用磁性克服重力作用，使一只青蛙懸浮在半空中，而正是這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓他獲得了搞笑諾貝爾獎(jiǎng)。