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石墨烯,
它轻如鸿毛,1立方米石墨烯仅有0.77g,仅是1立方水的一百三十万分之一；
它强似钢铁,其断裂强度比最好的钢材还要高200倍；
它弹性惊人,其拉伸幅度能达到自身尺寸的20%；
它导热导电,其导热系数是金属的10余倍,电子迁移率（电子移动速度）更高,电阻率更小,比导热导电性能最好的金属银和铜还要好；
它几乎透明,只吸收2.3%的光.
正因为石墨烯有这么多优良性能,学术界将石墨烯称为“黑金”“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”,极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命.
近期,中国航发北京航空材料研究院（以下简称中国航发航材院）石墨烯及应用研究中心燕绍九博士披露,经过5年的不懈研究,中国航发航材院石墨烯储能材料研发团队已成功研制出具有快速充电、长寿命、低发热等特性的新型石墨烯锂离子电池,该产品目前已实现了批量制备,即将走向市场应用.
俗话说,真金不怕火炼.被誉为“黑金”的石墨烯,是电池领域炙手可热的“材料明星”.在《中国制造2025》选定的十大重点突破技术和战略产业中,石墨烯材料是前沿新材料领域的四大重点之一.作为目前发现的厚度最薄、强度最高、导电性能最好的新型纳米材料,石墨烯被称为可改变21世纪的“神奇材料”,这一“新材料之王”也势必会掀起电池领域的一场能源革命.
强势登场的“材料明星”
“有一種物质,如同爱丽丝仙境一般神奇,那就是石墨烯.”
石墨烯就是从石墨材料中剥离出来,由碳原子按照特殊结构排列成的二维晶体.2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次成功地从石墨中分离出石墨烯,他们也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖.
提起石墨,我们一定不会感到陌生,生活中最常用的铅笔笔芯就是由石墨与黏土混合制成的,而石墨烯的主要来源就是石墨.换个角度来看,石墨烯只有单层原子厚度,铅笔芯中的石墨就相当于无数层石墨烯的堆放叠加.由于石墨烯如此之薄,使用了石墨烯的材料也将在“身材”上大幅度“瘦身”,未来由石墨烯制成的手机厚度可能薄到如同一般.
石墨烯虽然“出身”平平,却有着超强的性能.它不仅是迄今发现的自然界最薄的材料,也是强度最高的材料,石墨烯的断裂强度比最好的钢材还要高出200倍.石墨烯的弹性惊人,可被大幅度地拉伸和弯曲,抗压能力、导热和导电性也令它在诸多材料中崭露头角.
此外,石墨还具有储备量大、物美价廉的突出优势,而我国的石墨矿储量达到了世界总储量的75%,这为石墨烯的生产与应用提供了丰富的来源.
即充即走将不是梦
“普通手机仅用10分钟即可充满.”这可不是一句广告语,而是中国航发航材院科研人员研制出的石墨烯锂离子电池具有的优异储能特性的展现.检测结果显示,在同等条件下,此新型石墨烯锂离子电池充电时间仅为普通锂离子电池的十分之一,但使用寿命却是普通锂离子电池的5倍,并且有效抑制了发热问题.
石墨烯锂离子电池快速充电的原理源自锂离子在石墨烯表面和电极之间的快速大量穿梭.事实上,锂离子电池的充放电速度取决于锂离子在电极中穿梭“游泳”的速度.石墨烯具备优异的电子传导性能和独特的二维单原子结构,可在电极间为锂离子规划出最优移动路径,大幅度提升锂离子电池的充放电速度.
据统计,通过掺入石墨烯,可使电子的运动速度达到光速的三百分之一,远远超过了电子在一般导体中的运动速度.这样不仅可以带来高效迁移,更减少了能量损耗,超强的导电性可有效改善传统电池充电时间长、动力不足等突出问题.
“中国航发航材院能够研发出同时具有‘快充’与‘长寿命’特性的新型石墨烯锂离子电池,主要有两方面原因.”燕绍九博士指出,“一是中国航发航材院具有自主知识产权的大批量、高性能、低成本的石墨烯粉体制备技术,为石墨烯锂离子电池的研制生产提供了材料基础；二是中国航发航材院采用独特技术,把石墨烯作为关键电极材料应用于锂离子电池,充分利用石墨烯优异的导电性和导热性,使锂离子电池内阻、工作温升大幅降低,从而实现了快速充放电和长寿命的兼得.”
“电量焦虑”问题可大大缓解
长期以来,使用普通电池运行的电子设备,电池续航能力是个“老大难”问题.现有的快充技术普遍采用增大电压的方式实现,为缩小体积,锂离子电池的隔膜厚度也不断压缩.然而这极易导致电池过热,带来电池自燃爆炸的安全隐患.
如今,石墨烯将成为“超级电池”这个梦想的“圆梦人”.石墨烯锂离子电池是在传统锂电池的电极材料中添加石墨烯的一种新型电池,具有充电速度更快、容量更大、寿命更长等突出优势.在此之前,我国就成功研制出石墨烯锂离子电池“烯王”,可经受住零下30摄氏度到80摄氏度的“严寒酷暑”考验,充电效率更是普通电池的24倍.
一旦采用了石墨烯锂离子电池驱动,未来的新能源汽车续航能力将达到500公里,可大大缓解人们心中的“电量焦虑”问题.
无限可能的未来应用
由于石墨烯材料本身的神奇特性,未来应用前景广阔.除应用于新型电池外,石墨烯还可用于制造薄如纸片的超轻型飞机材料、坚韧的防弹衣甚至是太空电梯的绳缆.美国科学家使用石墨烯制造的调制解调器,直径只有头发丝的四百分之一,却具备了高速信号传输能力,可实现高清电影的瞬间下载.只要把10个石墨烯制成的调制解调器放在一起,传输速度可达到百万兆,将比目前的光纤网络速度快1万倍.
石墨烯在其他一些领域的应用也堪称神奇.由于吸附能力强,石墨烯可用于海水淡化、污水处理等过滤装置,并可凭借其良好的透光性用来制作特殊的透明电子材料,未来可弯曲折叠的手机屏幕很有可能就是“石墨烯造”.随着新材料技术的快速发展,未来石墨烯可用于制成新型薄膜,在危险化学品爆燃时只需一层薄膜就可化险为夷.
（本文综合中国科技网、搜狐科技、《中国航空报》等媒体报道）
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参考文献：
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