详解石墨烯的潜力与未来发展方向

欧洲科学技术协会(SciTechEuropa)探索石墨烯，以及它如何在我们的日常生活中发挥更持久的作用，为我们与数字技术和移动设备的关系提供动力。

移动设备依赖于目前使用锂离子技术制造的可充电电池。随着这些器件的不断进步，它们的应用对低容量锂离子电池的压力越来越大。然而，石墨烯，一种透明而灵活的二维材料，被认为是最薄的化合物。石墨烯具有许多高价值的特性，包括亮度、柔韧性和高导电性，而且价格低廉。因此，石墨烯增强的锂离子电池被认为是一种可以推动技术进步的材料，不仅可以用于移动设备，还可以用于一系列技术应用，无论是体育设备、汽车还是音频设备。《欧洲科学技术》探索了这种创新材料如何在我们的日常生活中发挥更持久的作用，通过推动我们与数字技术和移动的关系，以及它所看到的成功和障碍。

石墨烯的性质和潜力

石墨烯的基本形态是单层碳原子，排列在晶格中，具有用于柔性显示器、可穿戴设备以及先进电子设备的潜力。

它具有许多优越的性能，是一种理想的电池材料。当比较钢和石墨烯时，后者的强度是后者的数百倍。因此，这种材料可以用来增加能量存储，无论是超级电容器的形式，还是更小的电池形式，如袋和硬币电池。石墨烯在这类应用中的好处在于提高能源密度、容量和能源产品的寿命。

便携式各种电池的潜力

电池和超级电容器有各种各样的优点，但也有不足之处;尽管有许多类型的电池能够储存大量的能量，但它们往往由于体积大、重量大以及释放能量的速度慢而处于劣势。然而，电容器使用户能够以更有效的速度充电和放电，以及负担得起。然而，采用石墨烯来提高电池和超级电容器的性能，可能会模糊这两种能量存储之间的界限。

石墨烯供电的超级电容器储存大量能量，便于快速充放电。由于其高效、快速的充电特性，石墨烯可以看到需要更高功率的设备变得更容易获得和携带。

基于石墨烯的电池替代品已经改善了能量存储，并通过其使用和充电的生命周期提高了性能。通过在电池电极上添加二维材料，提高了电池的能量容量和可靠性。随后，我们的设备可以更长久地保持更高的效率，提供更高的性价比。

将石墨烯应用于先进技术

2016年，总部位于中国的网络、电信和服务公司华为透露，他们试图开发一种石墨烯增强的创新锂离子电池。该电池在市场上的宣传是，即使在超过50°C的极限温度下，也能保持功能，并延长运行时间。利用多项创新技术，华为电池通过以下方式确保散热:

1.电解液内的抗分解添加剂;

2.化学稳定晶体阴极;

3.石墨烯。

因此，制造商补充说，石墨烯的使用降低了电池的工作温度5℃。

实现石墨烯技术的商业化

2017年，有报道称，三星电子技术研究院——三星高级技术研究院(SAIT)已经开发出一种核心电池技术，该技术使用石墨烯来提供更长的运行时间和更快的充电速度。据说石墨烯“球”能使电池容量提高45%，同时使电池充电速度比目前标准快五倍。这项研究的结果发表在11月的《自然》杂志上。

该公司生产的电池体积更小、更薄，但不以产能为代价。这种材料正被这家韩国电子公司用于移动设备，但也显示出了开发电动汽车的潜力。

在一份描述这一发现的文件中，三星写道：快速充电能力被认为是公众成功采用全电动汽车的关键，这可能消除了汽车市场对采用这种汽车的犹豫，并解决了人们对此类汽车缺乏基础设施的担忧。

据英国《金融时报》报道，三星表示，基于石墨烯的电池技术将在12分钟内充满电，而目前的锂离子电池在一小时左右就能充满电。由于材料的稳定性，电池可以在60°C内保持稳定，可以用于电动汽车。三星补充说，SAIT开发了这项技术，制造了一种使用二氧化硅的方法，合成了3D石墨烯球，并将其与先进的锂离子电池结合起来。

快速充电的未来

据美国同行评审期刊《科学进展》12月版报道，中国浙江大学的研究人员成功地在1.1秒内给电池充电，用它给一个灯泡供电约一个小时。该大学的纳米聚合物实验室报告说，在25万次充电后，石墨烯基电池保持了91%的容量，并在极端温度下保持稳定。尽管如此，测试电池的电流容量还没有达到目前手机电池所能提供的水平——充电1分钟后30毫安，而不是3000毫安——因此，这种技术需要广泛的研究和开发，才能投入商业使用。

为什么石墨烯还没有在商业上得到广泛应用?

2010年，曼彻斯特大学(UniversityofManchester)教授安德烈·海姆爵士(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃塞洛夫(KonstantinNovoselov)因研究石墨烯获得诺贝尔物理学奖。结果，这种材料获得了巨大的投资，申请了专利，围绕它的野心也越来越大，希望能改造电子、碳纤维复合材料和生物技术等应用。尽管如此，由于供应链的困难和生产成本，石墨烯应用的关注有所减少。

在2018年全球移动大会的讲话中,弗兰克?Koppens光子科学研究所(IFCO),在巴塞罗那,西班牙,说:“令人惊奇的人认为是历史上很长一段时间,因为如果你回头看花了很多时间比石墨烯具有新技术进入市场。如果你看看你的智能手机，里面的技术是30-40年前发明的，里面大约有25个诺贝尔物理学奖。他补充说，目前手机的发明和技术都是上世纪60年代的发现，因此，直到现在，这些技术才在今天的消费品中找到了自己的位置。

尽管石墨烯的加工成本仍然很高，但研究人员一直在努力推进这项技术，尤其是在其储能应用方面。目前，石墨烯相关应用的专利已超过5万项。彭博新能源财经分析师朱莉娅·阿特伍德说:“人们担心的是加满汽油和给汽车电池充电的比较。突然之间，这就不是问题了，因为你只需要停十分钟，你就可以把车开200到300英里。”

可购买哪些石墨烯增强产品?

一系列的产品都在使用这种材料来提高它们的功效。例如，小米MiProHD耳机在其膜片中使用这种材料，以提供更快的声音传输速度，并在电路中保留100%的原始信号，从而增强了高分辨率音频。

荷兰体育和服装公司的负责人将碳、石墨烯和koroyd三种材料结合在了他们的YouTek石墨烯网球拍和Korefreeride滑雪板上。与此同时，兰博基尼和美国麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology)正在一个合作项目中探索其在电动汽车上的应用，他们希望开发一种使用石墨烯增强超级电容器的电动汽车——Terzomillenniumo。

目前正在研究的不仅是移动设备的能源能力，还有石墨烯如何帮助制造未来弯曲和灵活的手机，尽管这项技术的交付时间尚不确定。目前一些公司正在生产柔性屏幕，他们声称这种屏幕将在今年或明年上市，而且中国也有在触摸屏中使用石墨烯的智能手表。