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详解石墨烯:通往未来的黑金钥匙

导读: 石墨烯材料的使用让汽车动力电池的发展充满了机遇。但是请记住机遇永远与挑战并存。目前石墨烯材料还面临着很多巨大的难题需要客服。如果要发展采用石墨烯技术的汽车动力电池,就必须冷静分辨市场的炒作信息,找准真实的机遇。并且等待足够的发展时间,才能够有望真正的实现技术革新。

  近日,国家主席习近平在曼彻斯特大学的参观中石墨烯材料成为了聚焦的亮点。那么这个世界上最薄最坚硬的材料会怎样改变这个世界,成为通往未来的黑金钥匙呢?随着下面的详细分解一起来看一下吧。

  石墨烯这种神奇的材料由于其优越的特性,有望应用于计算机、通信、医疗、工业、能源等多个行业。并有消息称,加入石墨烯技术的汽车锂电池有望将能量密度提升至目前的3倍,重量减半,续航里程可拓展至800-1000公里。这也是石墨烯为各行业,特别是汽车行业重点关注的原因。由于石墨烯材料,汽车动力锂电池的发展充满了机遇与挑战。

  那究竟什么是石墨烯呢?让我们先来看一下石墨烯的定义以及历史和特性。

  石墨烯Graphene的名字来源于石墨Graphite + 烯类ene。它是一种平面多环芳香烃原子晶体,是碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂巢晶格平面薄膜。看到这个定义是不是已经晕了。记住一句话就行,石墨烯就是碳排列成的极薄的薄膜。薄到什么程度?它只有一个原子的厚度,也就是约0.5nm。如下图为石墨烯的结构图,可以看到石墨烯是碳原子组成的原子尺寸六角型二维平面结构。

  其实科学家们在90年代中期就提出了石墨烯的存在。但是它一直是个假设性结构,因其在自然界中无法稳定单独的存在。很长时间科学研究止步于多层石墨烯组成的污泥状物质。虽然经过各种努力也只能分离得到3~10层重叠的石墨烯,而始终求单层石墨烯而不得。科学界甚至开始怀疑单层石墨烯的存在。直至2004年曼彻斯特大学的两位学者安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)成功分离出了单独石墨烯平面。并因此于2010年获得了诺贝尔物理学奖。两位学者分离单层石墨烯的方法更是神奇。它们发现使用胶带粘住石墨烯薄片的两侧后撕开,便可逐渐减薄石墨烯直至单层。有的时候就是这样,你与诺贝尔奖的距离可能只有一层胶带的厚度。下图一为前文提到的多层石墨烯组成的污泥状物质。下图二为安德烈·海姆(左)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(右)获得2010年诺贝尔物理学奖的宣传图片。两位学者因其“在二维石墨烯材料的开创性实验”而获奖。下图三为安德烈·海姆在实验中所使用的3M胶带,胶带底座上可以看到海姆的签名。

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