石墨烯的应用领域

第二章石墨烯应用领域石墨烯因其独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能和高比表面积，近年来受到化学、物理、材料、能源、环境等领域的极大重视，应用前景广阔，被公认为21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。具体在五个应用领域：一是储能领域。石墨烯可用于制造超级电容器、超级锂电池等。二是光电器件领域。石墨烯可用于制造太阳能电池、晶体管、电脑芯片、触摸屏、电子纸等。三是材料领域。石墨烯可作为新的添加剂，用于制造新型涂料以及制作防静电材料。四是生物医药领域。石墨烯良好的阻隔性能和生物相容性，可用于药物载体、生物诊断、荧光成像、生物监测等。五是散热领域。石墨烯散热薄膜可广泛应用于超薄大功耗电子产品，比如当前全球热销的智能手机、IPAD电脑、半导体照明和液晶电视等。中国科学院预计，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，在纳米电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。目前，全球范围内仅电子行业每年需消耗大约2500吨半导体晶硅，纯石墨烯的市场价格约为人民币1000元/g，其若能替代晶硅市场份额的10%，就可以获得5000亿元以上的经济利益；全球每年对负极材料的需求量在2.5万吨以上，并保持了20%以上的增长，石墨烯若能作为负极材料获得锂离子电池市场份额的10%，就可以获得2500吨的市场规模。可见，石墨烯具有广阔的应用空间和巨大的经济效益。正是在这一背景下，目前国内外对石墨烯技术的应用研究如火如荼，具体应用如下：2.1石墨烯锂离子电池锂离子电池具有容量大、循环寿命长、无记忆性等优点，目前已成为全球消费类电子产品的首选电池以及新能源汽车的主流电池。高能量密度、快速充电是锂电池产品发展的必然趋势，在正极材料中添加导电剂是一种有效改善锂电性能的途径，可大大增加正负极的导电性能、提高电池体积能量密度、降低电阻，增加锂离子脱嵌及嵌入速度，显著提升电池的倍率充放电等性能，提高电动车的快充性能。所谓石墨烯电池并非整个电池都用石墨烯材料制作，而是在电池的电极使用石墨烯材料。在理论上石墨烯电极可能有超过石墨两倍的比容量。另外，如果将石墨烯和炭黑混合后作为导电添加剂加入锂电池可以有效降低电池内阻，提升电池倍率充放电性能和循环寿命，而且电池的弯折对充放电性能没有影响，因此电极采用石墨烯材料后，使电池具备高充放电速率是石墨烯电池具备快速充电的原因。在锂电池中应用，石墨烯的主要功能包括两个：一是导电剂，二是电极嵌锂材料。以上两点应用都是在和传统的导电碳/石墨竞争。目前石墨烯在锂电池中的添加形式主要有三种：导电添加剂、电极复合材料、直接作为负极材料，目前石墨烯导电剂研发技术已经相对成熟。石墨烯在锂电池中的应用2.1.1石墨烯作为锂离子电池正极导电添加剂锂电池正极材料导电添加剂，显著提高充放电及导电性能，正极材料导电添加剂是石墨烯锂电池应用中走在产业化最前端的一环。石墨烯是高性能锂电池正极导电添加剂的新选择。利用其二维高比表面积的特殊结构所带来的优异电子传输能力，可显著提高电极材料容量挥发、降低电池内阻，提高倍率性和循环寿命，改善电池的高低温和安全性能。全球石墨烯导电剂用量预测就石墨烯导电剂而言，其凭借石墨烯优异的载流子迁移率(15000cm2/V-1•s-1)和超低电阻率（10-6Ω·cm），可显著降低电池内阻、提高倍率性能和循环寿命，并改善电池的高低温和安全性能。2.1.2石墨烯作为锂离子电池负极材料石墨烯负极材料能够提高负极锂电池理论比容量和倍率性能。石墨烯的孔道结构使得锂离子在负极材料中的扩散路径比较短，有效提高电导率；石墨烯优异的机械性能和化学性能使得其复合电极材料具备结构稳定性，能够有效提高电极材料循环稳定性。石墨烯包覆硅用于负极可提高储能密度，助推电池轻量化。目前实验室石墨烯包覆硅的复合材料储能密度可达到800mAh/g。2.1.3石墨烯应用于锂离子电池功能涂层铝箔石墨烯功能涂层铝箔可有效降低电池内阻。石墨烯涂覆于铝箔集流体上，形成石墨烯功能涂层铝箔可使电池内阻降低一半，而容量不受损失，同时电池的循环寿命提高20%以上。2.1.4石墨烯应用于锂离子电池导电浆料石墨烯导电添加剂显著提高充放电及导电性能。导电添加剂是石墨烯锂电池应用中走在产业化最前端的一环，石墨烯导电浆料技术成熟，成本优势凸显，已批量供货。目前已有多家公司进行石墨烯在锂电池的应用，石墨烯在导电添加剂方面已经量产。2.1.5石墨烯基锂硫电池以单质硫为正极，金属锂为负极的锂硫电池具有高达2600Wh·kg-1的理论能量密度，高导电石墨烯作为集流体，相比传统的金属集流体，其轻质的特点有助于提升电池整体的能量密度并，同时由于单质硫储量丰富、价格低廉等特点，锂硫电池被视为最具有发展前景的下一代高能量二次电池之一，受到了研究者的广泛关注。2.2石墨烯燃料电池燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。石墨烯有益于解决燃料电池中技术难题及成本问题。利用石墨烯类膜材料输运特性有望解决燃料电池核心部件“质子传导膜”的燃料渗透难题，同时用掺氮石墨烯催化剂显然可大大降低燃料电池成本。石墨烯燃料电池2.3石墨烯纸蓄电池将氧化石墨烯制成石墨烯纸，石墨烯纸可起到质子导体作用，用石墨烯纸制成的蓄电池具有良好的初容量。石墨烯的掺入可使蓄电池的比容量及活性物质利用率提升10%以上。蓄电池负极中分别加入石墨烯，提升了高倍率放电性能，大大延长了循环寿命，添加石墨烯的负极板都具有70%以上的高孔率。石墨烯纸以极好的导电性，极大的比表面积等特殊性能，应用到蓄电池中可提升比容量和活性物质利用率；石墨烯可使铅膏保持高孔率，有利于提升电池的倍率放电能力和充电接受能力，延长循环寿命。2.4石墨烯超级电容超级电容器是一种介于传统电容器和二次电池之间的电化学储能装置，具有高功率密度、快速充放电、高循环寿命、无污染、免维护等优点，在各类需要能源转化的领域有着巨大的应用价值。但是超级电容器目前受到电极材料的制约，能量密度普遍低于20wh/kg。石墨烯本身具备超大的比表面积(2600m2/g)，应用于超级电容器电极能显著提高储能密度，其储能密度与铅酸电池接近，是超级电容器的理想电极材料。石墨烯超级电容制成的汽车，一次充电时间只需8分钟，即可供电力新能源汽车行驶1000千米。石墨烯超级电容能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍，电池重量只是锂离子电池的一半，使用寿命是目前锂电池2倍，是传统氢化电池的4倍，成本将比目前锂电池降低77%。2.5石墨烯太阳能电池石墨烯透过率高（单层为97.3%），方块电阻低，使用石墨烯能够提高光电转化效率，可以作为太阳能电池中的受体材料。石墨烯可以和有机聚合物材料复合形成大的给受体界面，有利于电池中激子的扩散速率和载流子迁移率的提高，消除由于电荷传输路径被破坏产生的二次聚集。另外石墨烯材料也被应用到各类太阳能电池的光阳极上。将石墨烯薄膜沉积在硅表面，有利于硅电池的表面钝化、掺杂及异质结的形成，且有效提升电池的光电转换效率。随着国家对新能源开发利用的重视程度，太阳能电池的产销具备持续增长能力，石墨烯的出现正好为光伏产业中一些亟需解决的技术难题提供了解决方案，未来石墨烯在光伏行业大有可为。2.6石墨烯储存氢能源众所周知，材料吸附氢气量和其比表面积成正比，石墨烯拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点，使其成为储氢材料的最佳候选者。希腊大学设计了新型3D碳材料，孔径尺寸可调，这种新型碳材料掺杂了锂原子时，石墨烯柱的储氢量可达到611%。2.7石墨烯功能涂料石墨烯自身的高比表面积、高导热导电性、稳定的化学性能以及优异的力学性能，使其成为新一代涂料、橡胶、塑料等产品的重要“调味品”，可以全方位提升传统产品的特性，且对原有的生产工艺和成本影响不大，使石墨烯成为新一代涂料的焦点。石墨烯用于涂料中可制备纯石墨烯涂料和石墨烯复合涂料，可显著提升聚合物的性能，因此石墨烯复合涂料成为石墨烯的重要应用研究领域。2.8石墨烯散热涂料当前电子产品的轻薄化已经成为趋势，伴随着产品功能增强、性能提高，高功率的处理芯片带来了更多的热量，更快的处理速度和更低的电量消耗对智能终端提出了更高的散热需求。以石墨烯散热膜为代表的碳材料凭借超高的导热率、低密度、低热膨胀系数、良好的高温力学性能顺势而起，已经成为最具有发展前景的导热材料。石墨烯散热涂料具有巨大的应用前景，可以广泛应用在空调、LED灯具、大功率芯片等领域的散热中。2.9石墨烯导电涂料导电涂料是伴随着现代科学技术而迅速发展起来的特种功能涂料，目前已在静电耗散、电磁屏蔽、电子封装等领域得到广泛应用。石墨烯由于具有很高的电子迁移率和优异的电学性能，能够更好地实现导电涂料所要达成的目标；而且由于石墨烯具备优异的机械性能及热性能，使得这种新型导电涂料更加耐用，更能适应复杂的应用环境，是极佳的导电涂料添加剂。2.10石墨烯导电粘胶以天然鳞片石墨为原料，采用水系乳化剂，在机械振动下获得可以石墨烯导电粘胶。石墨烯在导电胶黏剂方面也有广泛的应用前景。目前，商业化导电胶黏剂产品的主要填充料为碳黑、银粉、镍粉等，它们各有优缺点。碳黑虽然便宜，但其导电能力不佳，需要大量填充；银镍粉导电性能好，但价格较高，产品的成本过高。采用石墨烯作为填充料，不仅可以降低填充量，还可解决导电性能和成本之间的矛盾。因此，石墨烯导电胶黏剂则可用LED封装、电子器件封装，降低封装成本。2.11石墨烯抗静电涂料抗静电涂料广泛用于电子、电器、航空及化工等多种领域，随着现代科技的发展，对其抗静电性能的要求越来越高。石墨烯所具有的高导电性、强力学性能等特点，有利于制备高性能、高强度的抗静电涂料。将十六胺接枝到石墨烯表面以增加与环氧树脂的相容性，然后以溶液共混的方式将两者均匀混合，改变混合体系中石墨烯的用量，可得到具有不同表面电阻率的抗静电涂料，当改性石墨烯的添加量为0.5%时，抗静电涂膜的表面电阻可降至109Ω/sq，达到抗静电涂料的标准要求2.12石墨烯防腐涂料石墨烯是已知最薄防腐蚀涂层，石墨烯做金属保护膜已经成功应用，并显著延缓了金属的腐蚀速度，未来发展前景广阔。涂料中添加石墨烯后，石墨烯能够形成稳定的导电网格，有效提高锌粉的利用率，水性石墨烯涂料的防腐效果明显优于其他碳系材料填充的水性涂料，也比商业化的水性涂料具有更为突出的耐盐雾性。在传统的磷酸涂料中添加少量石墨烯，可使涂料的耐盐雾时间提升1倍以上，其性价比优于传统涂料。2.13石墨烯透光涂料石墨烯由于单层透光率97.7%，具有良好的光学性能，可以在实现防腐等目标的基础上，用于汽车船舶玻璃、显示器、电视机等领域。2.14石墨烯耐磨涂料用溶胶凝胶法制备石墨烯水性聚氨酯涂料，添加2.0%的石墨烯即可使涂膜的抗张强度提高71%，杨氏模量提高86%。摩擦寿命比纯聚氨酯提高了880%。2.15石墨烯建筑涂料石墨烯的导热系数高，将其用于建筑隔热涂料可有效降低建筑物的内部温度，增强节能效果。薛刚等采用回流法将石墨烯包裹在红外发射粉末表面，制备了一种含石墨烯、电气石和过渡金属氧化物的复合散热涂料。石墨烯可降低红外颗粒的热阻，与普通散热涂料相比，含石墨烯的复合涂料红外发射率达到96%，节能6.37%，体现出良好的节能效果。石墨烯具有优异的力学性能，能显著改善聚合物的抗拉强度与韧性，把石墨烯加入到以丙烯酸酯类聚合物与水泥复合而成的聚合物水泥防水涂料中，石墨烯丰富的含氧基团可调节水泥水化产物的生长，使涂膜的物理性能(如拉伸强度、断裂伸长率、抗渗性等)得到明显提升。2.16石墨烯导电油墨石墨烯导电油墨是一类由功能化石墨烯、连接料、剂和溶剂等组成的具有导电等特殊功能的油墨产品。具有导电性能优异、印刷图案质量轻、印刷适性好、固化条件温和以及成本低廉等优势，可在塑料薄膜、纸张及金属箔片等多种基材上实现印刷。石墨烯油墨适用于网印、凹印、柔印、胶印和喷墨印刷等方式，可以应用于印刷线路板(PCB)、射频识别(RFID)、显示备(如OLED)、电极传感器等方面，能