新材料之王

石墨烯，

它輕如鴻毛，1立方米石墨烯僅有0.77g，僅是1立方水的一百三十萬(wàn)分之一；

它強(qiáng)似鋼鐵，其斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍；

它彈性驚人，其拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%；

它導(dǎo)熱導(dǎo)電，其導(dǎo)熱系數(shù)是金屬的10余倍，電子遷移率（電子移動(dòng)速度）更高，電阻率更小，比導(dǎo)熱導(dǎo)電性能最好的金屬銀和銅還要好；

它幾乎透明，只吸收2.3%的光。

正因?yàn)槭┯羞@么多優(yōu)良性能，學(xué)術(shù)界將石墨烯稱為“黑金”“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

近期，中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)航發(fā)航材院）石墨烯及應(yīng)用研究中心燕紹九博士披露，經(jīng)過(guò)5年的不懈研究，中國(guó)航發(fā)航材院石墨烯儲(chǔ)能材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)已成功研制出具有快速充電、長(zhǎng)壽命、低發(fā)熱等特性的新型石墨烯鋰離子電池，該產(chǎn)品目前已實(shí)現(xiàn)了批量制備，即將走向市場(chǎng)應(yīng)用。

俗話說(shuō)，真金不怕火煉。被譽(yù)為“黑金”的石墨烯，是電池領(lǐng)域炙手可熱的“材料明星”。在《中國(guó)制造2025》選定的十大重點(diǎn)突破技術(shù)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)中，石墨烯材料是前沿新材料領(lǐng)域的四大重點(diǎn)之一。作為目前發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)電性能最好的新型納米材料，石墨烯被稱為可改變21世紀(jì)的“神奇材料”，這一“新材料之王”也勢(shì)必會(huì)掀起電池領(lǐng)域的一場(chǎng)能源革命。

強(qiáng)勢(shì)登場(chǎng)的“材料明星”

“有一種物質(zhì)，如同愛麗絲仙境一般神奇，那就是石墨烯。”

石墨烯就是從石墨材料中剝離出來(lái)，由碳原子按照特殊結(jié)構(gòu)排列成的二維晶體。2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫首次成功地從石墨中分離出石墨烯，他們也因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

提起石墨，我們一定不會(huì)感到陌生，生活中最常用的鉛筆筆芯就是由石墨與黏土混合制成的，而石墨烯的主要來(lái)源就是石墨。換個(gè)角度來(lái)看，石墨烯只有單層原子厚度，鉛筆芯中的石墨就相當(dāng)于無(wú)數(shù)層石墨烯的堆放疊加。由于石墨烯如此之薄，使用了石墨烯的材料也將在“身材”上大幅度“瘦身”，未來(lái)由石墨烯制成的手機(jī)厚度可能薄到如同銀行卡一般。

石墨烯雖然“出身”平平，卻有著超強(qiáng)的性能。它不僅是迄今發(fā)現(xiàn)的自然界最薄的材料，也是強(qiáng)度最高的材料，石墨烯的斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高出200倍。石墨烯的彈性驚人，可被大幅度地拉伸和彎曲，抗壓能力、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性也令它在諸多材料中嶄露頭角。

此外，石墨還具有儲(chǔ)備量大、物美價(jià)廉的突出優(yōu)勢(shì)，而我國(guó)的石墨礦儲(chǔ)量達(dá)到了世界總儲(chǔ)量的75%，這為石墨烯的生產(chǎn)與應(yīng)用提供了豐富的來(lái)源。

即充即走將不是夢(mèng)

“普通手機(jī)僅用10分鐘即可充滿?！边@可不是一句廣告語(yǔ)，而是中國(guó)航發(fā)航材院科研人員研制出的石墨烯鋰離子電池具有的優(yōu)異儲(chǔ)能特性的展現(xiàn)。檢測(cè)結(jié)果顯示，在同等條件下，此新型石墨烯鋰離子電池充電時(shí)間僅為普通鋰離子電池的十分之一，但使用壽命卻是普通鋰離子電池的5倍，并且有效抑制了發(fā)熱問(wèn)題。

石墨烯鋰離子電池快速充電的原理源自鋰離子在石墨烯表面和電極之間的快速大量穿梭。事實(shí)上，鋰離子電池的充放電速度取決于鋰離子在電極中穿梭“游泳”的速度。石墨烯具備優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能和獨(dú)特的二維單原子結(jié)構(gòu)，可在電極間為鋰離子規(guī)劃出最優(yōu)移動(dòng)路徑，大幅度提升鋰離子電池的充放電速度。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)摻入石墨烯，可使電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速的三百分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這樣不僅可以帶來(lái)高效遷移，更減少了能量損耗，超強(qiáng)的導(dǎo)電性可有效改善傳統(tǒng)電池充電時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)力不足等突出問(wèn)題。

“中國(guó)航發(fā)航材院能夠研發(fā)出同時(shí)具有‘快充與‘長(zhǎng)壽命特性的新型石墨烯鋰離子電池，主要有兩方面原因。”燕紹九博士指出，“一是中國(guó)航發(fā)航材院具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大批量、高性能、低成本的石墨烯粉體制備技術(shù)，為石墨烯鋰離子電池的研制生產(chǎn)提供了材料基礎(chǔ)；二是中國(guó)航發(fā)航材院采用獨(dú)特技術(shù)，把石墨烯作為關(guān)鍵電極材料應(yīng)用于鋰離子電池，充分利用石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，使鋰離子電池內(nèi)阻、工作溫升大幅降低，從而實(shí)現(xiàn)了快速充放電和長(zhǎng)壽命的兼得?！?/p>

“電量焦慮”問(wèn)題可大大緩解

長(zhǎng)期以來(lái)，使用普通電池運(yùn)行的電子設(shè)備，電池續(xù)航能力是個(gè)“老大難”問(wèn)題?，F(xiàn)有的快充技術(shù)普遍采用增大電壓的方式實(shí)現(xiàn)，為縮小體積，鋰離子電池的隔膜厚度也不斷壓縮。然而這極易導(dǎo)致電池過(guò)熱，帶來(lái)電池自燃爆炸的安全隱患。

如今，石墨烯將成為“超級(jí)電池”這個(gè)夢(mèng)想的“圓夢(mèng)人”。石墨烯鋰離子電池是在傳統(tǒng)鋰電池的電極材料中添加石墨烯的一種新型電池，具有充電速度更快、容量更大、壽命更長(zhǎng)等突出優(yōu)勢(shì)。在此之前，我國(guó)就成功研制出石墨烯鋰離子電池“烯王”，可經(jīng)受住零下30攝氏度到80攝氏度的“嚴(yán)寒酷暑”考驗(yàn)，充電效率更是普通電池的24倍。

一旦采用了石墨烯鋰離子電池驅(qū)動(dòng)，未來(lái)的新能源汽車?yán)m(xù)航能力將達(dá)到500公里，可大大緩解人們心中的“電量焦慮”問(wèn)題。

無(wú)限可能的未來(lái)應(yīng)用

由于石墨烯材料本身的神奇特性，未來(lái)應(yīng)用前景廣闊。除應(yīng)用于新型電池外，石墨烯還可用于制造薄如紙片的超輕型飛機(jī)材料、堅(jiān)韌的防彈衣甚至是太空電梯的繩纜。美國(guó)科學(xué)家使用石墨烯制造的調(diào)制解調(diào)器，直徑只有頭發(fā)絲的四百分之一，卻具備了高速信號(hào)傳輸能力，可實(shí)現(xiàn)高清電影的瞬間下載。只要把10個(gè)石墨烯制成的調(diào)制解調(diào)器放在一起，傳輸速度可達(dá)到百萬(wàn)兆，將比目前的光纖網(wǎng)絡(luò)速度快1萬(wàn)倍。

石墨烯在其他一些領(lǐng)域的應(yīng)用也堪稱神奇。由于吸附能力強(qiáng)，石墨烯可用于海水淡化、污水處理等過(guò)濾裝置，并可憑借其良好的透光性用來(lái)制作特殊的透明電子材料，未來(lái)可彎曲折疊的手機(jī)屏幕很有可能就是“石墨烯造”。隨著新材料技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)石墨烯可用于制成新型薄膜，在危險(xiǎn)化學(xué)品爆燃時(shí)只需一層薄膜就可化險(xiǎn)為夷。

（本文綜合中國(guó)科技網(wǎng)、搜狐科技、《中國(guó)航空?qǐng)?bào)》等媒體報(bào)道）