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石墨烯即将开启新能源时代

作者:admin    访问量:2129    发布时间:2015-06-19

英国科学家最新研究显示,石墨烯或将引领电动汽车的绿色革命。图中是原子等级碳原子蜂巢晶格结构。
     
近日,科学家最新研究发现,石墨烯这种世界上最薄、最硬的材料,有望能够加速电动汽车和其它绿色科技的快速发展。
     
研究人员在铅笔芯中发现一种碳石墨,使穿过它的原子或者质子带有正电荷。这项发现将增大电动汽车电池的有效性,因为电池从氢气中产生电能。该研究负责人是诺贝尔奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈-海姆(andregeim),他指出,该发现有望未来实现石墨烯薄片从大气层中“筛出”氢气制造电能。
     
这是因为单原子厚度材料作为一种过滤器,使质子穿过其中,同时阻挡了其它原子的通过。研究小组证实当他们将该物质与叫做氮化硼的单原子材料结合在一起时,科学家能够从石墨烯薄片一侧采集质子。
     
使用这样的石墨烯薄片,电池可从空气中提取氢并燃烧,从而为电动汽车提供动力,它并不会释放环境污染物质。研究报告合著作者、马塞洛-洛萨达-伊达尔戈(marcelolozada-hidalgo)说:“我们对这项研究报告感到非常兴奋,因为它开启了一个新的领域,有望将石墨烯材料应用于能量采集和氢基础技术。”
     
虽然石墨烯仅有一个原子的厚度,却是世界上最薄的材料,强度是钢铁的200倍。石墨烯对所有气体和液体都不渗透,它将有望应用于耐蚀涂层、包装、甚至超薄避孕套。这项最新研究报告发表在《自然》杂志上。
     
他们吃惊地发现质子能非常容易地穿过超硬的石墨烯,尤其在温度升高和石墨烯薄膜覆盖铂金等纳米粒子时,铂金可作为一种催化剂。
     
他们希望石墨烯未来可用于质子传导薄膜,这是燃料电池技术的核心部分。汽车中的燃料电池使用氧和氢作为燃料,转变输入的化学能量成为电流。但是一个重要问题是现有质子薄膜上存在燃料泄漏,从而降低电池有效性,通过使用石墨烯可以克服这些问题。
     
研究小组发现石墨烯薄膜可用于提取大气层中的氢,暗示着该材料结合燃料电池更容易从空气中提取氢。本质上,我们可以从大气层中获取氢,为电动汽车提供动力,这项最新研究证实该设备的可行性。
     
该研究报告第一作者胡胜(音译)博士强调,由于石墨烯材料可制成数平方米的薄膜,我们希望能够尽早制造商业燃料电池。

 

石墨烯电池  

石墨烯电池,利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新能源电池。

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石墨烯无锡太湖石化装备厂电池利用环境热量自行充电的试验

石墨烯电池在饱和氯化铜溶液中,时间(小时、天数)和产生电压的关系。

实验制成电路其中包含LED,用电线连接到带状石墨烯。他们只是把石墨烯放在氯化铜(copper chloride)溶液中,进行观察。LED灯亮了。实际上,他们需要6个石墨烯电路,形成串联,这样就可产生所需的2V,使LED灯发亮,就可以得到这个图片。

徐子涵和同事说,这里发生情况就是铜离子具有双重正电荷,穿过溶液的速度约每秒300米,因为溶液在室温下的热能量。当离子猛烈撞入石墨烯带时,碰撞会产生足够的能量,使不在原位的电子离开石墨烯。电子有两种选择:可以离开石墨烯带,和铜离子结合,也可以穿过石墨烯,进入电路。

原来,流动的电子在石墨烯中更快,超过它穿过溶液的速度,所以电子自然会选择路径,穿过电路。正是这一点点亮了LED灯"释放的电子更倾向于穿过石墨烯表面,而不是进入电解液。设备就是这样产生电压的,"徐子涵说。

无锡太湖石化装备厂 因此,这个装置产生的能量来自周围环境的热量。他们可以提高电流,只需加热溶液,也可用超声波加快铜离子。只依靠周围热量,就可以使他们的石墨烯电池持续运行20天。但是,还有一个重要的问号。另一个假设是某种化学反应产生电流,就像普通的电池。

然而,徐子涵和同事说,他们排除了这一点,因为进行了几组控制实验。然而,这些是在一些补充材料中介绍的,他们似乎并没有放在arXiv网站上。他们需要赶在别人做出严肃声明之前公开。从表面价值来看,这看起来是一项非常重要的成果。其他人也在石墨烯中产生过电流,但只是让水流过它,所以这并不真的使人吃惊,移动的离子也可以产生这样的效果。这预示着清洁的绿色电池,只依靠环境热量驱动。徐子涵和同事说:"这代表着一个巨大的突破,研究的是自驱动技术"。

应用折叠编辑本段

无锡太湖石化装备厂 随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于目前已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。有数据显示2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片。到2015年,平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片,为石墨烯的应用提供了广阔的市场。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏,相信大规模商用指日可待。

另一方面,新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米图层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。

发展前景

美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为,未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后,将带来电池产业的变革,从而也促使新能源汽车产业的革新。

作为导电性、机械性能都很优异的材料,素来有"黑金子"之称的石墨烯目前在中国市场上的价格近十倍于黄金,超过2000元/克。

新型石墨烯电池实验阶段的成功,无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛,而目前的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段,石墨烯储能设备的研制成功后,若能批量生产,则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。

由于其独有的特性,石墨烯被称为"神奇材料",科学家甚至预言其将"彻底改变21世纪"。曼彻斯特大学副校长Colin Bailey教授称:"石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用,从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。"

最近美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器,该电容器不仅外形小巧,而且充电速度为普通电池的1000倍,可以在数秒内为手机甚至汽车充电,同时可用于制造体积较小的器件。"石墨烯电池或将引领改革:充电10分钟跑1000公里"报道:西班牙Graphenano公司(一家以工业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池,其储电量是目前市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。虽然此电池具有各种优良的性能,但其成本并不高。Graphenano公司相关负责人称,此电池的成本将比锂电池低77%,完全在消费者承受范围之内。此外,在汽车燃料电池等领域,石墨烯还有望带来革命性进步。

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