石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域

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1、第二章石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域石墨烯因其獨(dú)特的電學(xué)性能、力學(xué)性能、熱性能、光學(xué)性能和高比表面積，近年來受到化學(xué)、物理、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域的極大重視，應(yīng)用前景廣闊，被公認(rèn)為21世紀(jì)的“未來材料”和“革命性材料”。具體在五個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：一是儲(chǔ)能領(lǐng)域。石墨烯可用于制造超級(jí)電容器、超級(jí)鋰電池等。二是光電器件領(lǐng)域。石墨烯可用于制造太陽能電池、晶體管、電腦芯片、觸摸屏、電子紙等。三是材料領(lǐng)域。石墨烯可作為新的添加劑，用于制造新型涂料以及制作防靜電材料。四是生物醫(yī)藥領(lǐng)域。石墨烯良好的阻隔性能和生物相容性，可用于藥物載體、生物診斷、熒光成像、生物監(jiān)測(cè)等。五是散

2、熱領(lǐng)域。石墨烯散熱薄膜可廣泛應(yīng)用于超薄大功耗電子產(chǎn)品，比如當(dāng)前全球熱銷的智能手機(jī)、IPAD電腦、半導(dǎo)體照明和液晶電視等。中國(guó)科學(xué)院預(yù)計(jì)，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件，在納米電子器件、光電化學(xué)電池、超輕型飛機(jī)材料等研究領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前，全球范圍內(nèi)僅電子行業(yè)每年需消耗大約2500噸半導(dǎo)體晶硅，純石墨烯的市場(chǎng)價(jià)格約為人民幣1000元/g，其若能替代晶硅市場(chǎng)份額的10%，就可以獲得5000億元以上的經(jīng)濟(jì)利益；全球每年對(duì)負(fù)極材料的需求量在2.5萬噸以上，并保持了20%以上的增長(zhǎng)，石墨烯若能作為負(fù)極材料

3、獲得鋰離子電池市場(chǎng)份額的10%，就可以獲得2500噸的市場(chǎng)規(guī)模?？梢?，石墨烯具有廣闊的應(yīng)用空間和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。正是在這一背景下，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)石墨烯技術(shù)的應(yīng)用研究如火如荼，具體應(yīng)用如下：2.1石墨烯鋰離子電池鋰離子電池具有容量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無記憶性等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為全球消費(fèi)類電子產(chǎn)品的首選電池以及新能源汽車的主流電池。高能量密度、快速充電是鋰電池產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)，在正極材料中添加導(dǎo)電劑是一種有效改善鋰電性能的途徑，可大大增加正負(fù)極的導(dǎo)電性能、提高電池體積能量密度、降低電阻，增加鋰離子脫嵌及嵌入速度，顯著提升電池的倍率充放電等性能，提

4、高電動(dòng)車的快充性能。所謂石墨烯電池并非整個(gè)電池都用石墨烯材料制作，而是在電池的電極使用石墨烯材料。在理論上石墨烯電極可能有超過石墨兩倍的比容量。另外，如果將石墨烯和炭黑混合后作為導(dǎo)電添加劑加入鋰電池可以有效降低電池內(nèi)阻，提升電池倍率充放電性能和循環(huán)壽命，而且電池的彎折對(duì)充放電性能沒有影響，因此電極采用石墨烯材料后，使電池具備高充放電速率是石墨烯電池具備快速充電的原因。在鋰電池中應(yīng)用，石墨烯的主要功能包括兩個(gè)：一是導(dǎo)電劑，二是電極嵌鋰材料。以上兩點(diǎn)應(yīng)用都是在和傳統(tǒng)的導(dǎo)電碳/石墨競(jìng)爭(zhēng)。目前石墨烯在鋰電池中的添加形式主要有三種：導(dǎo)電添加劑、電

5、極復(fù)合材料、直接作為負(fù)極材料，目前石墨烯導(dǎo)電劑研發(fā)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。石墨烯在鋰電池中的應(yīng)用2.1.1石墨烯作為鋰離子電池正極導(dǎo)電添加劑鋰電池正極材料導(dǎo)電添加劑，顯著提高充放電及導(dǎo)電性能，正極材料導(dǎo)電添加劑是石墨烯鋰電池應(yīng)用中走在產(chǎn)業(yè)化最前端的一環(huán)。石墨烯是高性能鋰電池正極導(dǎo)電添加劑的新選擇。利用其二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu)所帶來的優(yōu)異電子傳輸能力，可顯著提高電極材料容量揮發(fā)、降低電池內(nèi)阻，提高倍率性和循環(huán)壽命，改善電池的高低溫和安全性能。全球石墨烯導(dǎo)電劑用量預(yù)測(cè)就石墨烯導(dǎo)電劑而言，其憑借石墨烯優(yōu)異的載流子遷移率(15000cm2/V-1?

6、s-1)和超低電阻率（10-6Ω·cm），可顯著降低電池內(nèi)阻、提高倍率性能和循環(huán)壽命，并改善電池的高低溫和安全性能。2.1.2石墨烯作為鋰離子電池負(fù)極材料石墨烯負(fù)極材料能夠提高負(fù)極鋰電池理論比容量和倍率性能。石墨烯的孔道結(jié)構(gòu)使得鋰離子在負(fù)極材料中的擴(kuò)散路徑比較短，有效提高電導(dǎo)率；石墨烯優(yōu)異的機(jī)械性能和化學(xué)性能使得其復(fù)合電極材料具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠有效提高電極材料循環(huán)穩(wěn)定性。石墨烯包覆硅用于負(fù)極可提高儲(chǔ)能密度，助推電池輕量化。目前實(shí)驗(yàn)室石墨烯包覆硅的復(fù)合材料儲(chǔ)能密度可達(dá)到800mAh/g。2.1.3石墨烯應(yīng)用于鋰離子電池功能涂層鋁箔石墨烯

7、功能涂層鋁箔可有效降低電池內(nèi)阻。石墨烯涂覆于鋁箔集流體上，形成石墨烯功能涂層鋁箔可使電池內(nèi)阻降低一半，而容量不受損失，同時(shí)電池的循環(huán)壽命提高20%以上。2.1.4石墨烯應(yīng)用于鋰離子電池導(dǎo)電漿料石墨烯導(dǎo)電添加劑顯著提高充放電及導(dǎo)電性能。導(dǎo)電添加劑是石墨烯鋰電池應(yīng)用中走在產(chǎn)業(yè)化最前端的一環(huán)，石墨烯導(dǎo)電漿料技術(shù)成熟，成本優(yōu)勢(shì)凸顯，已批量供貨。目前已有多家公司進(jìn)行石墨烯在鋰電池的應(yīng)用，石墨烯在導(dǎo)電添加劑方面已經(jīng)量產(chǎn)。2.1.5石墨烯基鋰硫電池以單質(zhì)硫?yàn)檎龢O，金屬鋰為負(fù)極的鋰硫電池具有高達(dá)2600Wh·kg-1的理論能量密度，高導(dǎo)電石墨烯作為集流

8、體，相比傳統(tǒng)的金屬集流體，其輕質(zhì)的特點(diǎn)有助于提升電池整體的能量密度并，同時(shí)由于單質(zhì)硫儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，鋰硫電池被視為最具有發(fā)展前景的下一代高能量二次電池之一，受到了研究者的廣泛關(guān)注。2.2石墨烯燃料