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1原理
石墨烯電池在飽和氯化銅溶液中，時(shí)間(小時(shí)、天數(shù))和產(chǎn)生電壓的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)制成電路其中包含LED，用電線連接到帶狀石墨烯。他們只是把石墨烯放在氯化銅(copperchloride)溶液中，進(jìn)行觀察。LED燈亮了。實(shí)際上，他們需要6個(gè)石墨烯電路，形成串聯(lián)，這樣就可產(chǎn)生所需的2V，使LED燈發(fā)亮，就可以得到這個(gè)圖片。
徐子涵和同事說(shuō)，這里發(fā)生情況就是銅離子具有雙重正電荷，穿過(guò)溶液的速度約每秒300米，因?yàn)槿芤涸谑覝叵碌臒崮芰俊．?dāng)離子猛烈撞入石墨烯帶時(shí)，碰撞會(huì)產(chǎn)生足夠的能量，使不在原位的電子離開(kāi)石墨烯。電子有兩種選擇：可以離開(kāi)石墨烯帶，和銅離子結(jié)合，也可以穿過(guò)石墨烯，進(jìn)入電路。
原來(lái)，流動(dòng)的電子在石墨烯中更快，超過(guò)它穿過(guò)溶液的速度，所以電子自然會(huì)選擇路徑，穿過(guò)電路。正是這一點(diǎn)點(diǎn)亮了LED燈“釋放的電子更傾向于穿過(guò)石墨烯表面，而不是進(jìn)入電解液。設(shè)備就是這樣產(chǎn)生電壓的，”徐子涵說(shuō)。
因此，這個(gè)裝置產(chǎn)生的能量來(lái)自周圍環(huán)境的熱量。他們可以提高電流，只需加熱溶液，也可用超聲波加快銅離子。只依靠周圍熱量，就可以使他們的石墨烯電池持續(xù)運(yùn)行20天。但是，還有一個(gè)重要的問(wèn)號(hào)。另一個(gè)假設(shè)是某種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，就像普通的電池。
然而，徐子涵和同事說(shuō)，他們排除了這一點(diǎn)，因?yàn)檫M(jìn)行了幾組控制實(shí)驗(yàn)。然而，這些是在一些補(bǔ)充材料中介紹的，他們似乎并沒(méi)有放在arXiv網(wǎng)站上。他們需要趕在別人做出嚴(yán)肅聲明之前公開(kāi)。從表面價(jià)值來(lái)看，這看起來(lái)是一項(xiàng)非常重要的成果。其他人也在石墨烯中產(chǎn)生過(guò)電流，但只是讓水流過(guò)它，所以這并不真的使人吃驚，移動(dòng)的離子也可以產(chǎn)生這樣的效果。這預(yù)示著清潔的綠色電池，只依靠環(huán)境熱量驅(qū)動(dòng)。徐子涵和同事說(shuō)：“這代表著一個(gè)巨大的突破，研究的是自驅(qū)動(dòng)技術(shù)”。
2應(yīng)用
隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于目前已有的研究成果，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。
消費(fèi)電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來(lái)移動(dòng)設(shè)備顯示屏的發(fā)展趨勢(shì)。柔性顯示未來(lái)市場(chǎng)廣闊，作為基礎(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。有數(shù)據(jù)顯示2013年全球?qū)κ謾C(jī)觸摸屏的需求量大概在9.65億片。到2015年，平板電腦對(duì)大尺寸觸摸屏的需求也將達(dá)到2.3億片，為石墨烯的應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)。韓國(guó)三星公司的研究人員也已制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，相信大規(guī)模商用指日可待。
另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。之前美國(guó)麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽(yáng)能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，石墨烯超級(jí)電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用鋪就了道路。
由于高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也是極為突出的。前不久美國(guó)NASA開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好的對(duì)地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測(cè)。而石墨烯在超輕型飛機(jī)材料等潛在應(yīng)用上也將發(fā)揮更重要的作用。
3發(fā)展前景
美國(guó)俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰電池在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為，未來(lái)一分鐘快充石墨烯電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來(lái)電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。
作為導(dǎo)電性、機(jī)械性能都很優(yōu)異的材料，素來(lái)有“黑金子”之稱的石墨烯目前在中國(guó)市場(chǎng)上的價(jià)格近十倍于黃金，超過(guò)2000元/克。
新型石墨烯電池實(shí)驗(yàn)階段的成功，無(wú)疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新的發(fā)展點(diǎn)。電池技術(shù)是電動(dòng)汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻，而目前的電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲(chǔ)能設(shè)備的研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的變革。[1]由于其獨(dú)有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”，科學(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改變21世紀(jì)”。曼徹斯特大學(xué)副校長(zhǎng)ColinBailey教授稱：“石墨烯有可能徹底改變數(shù)量龐大的各種應(yīng)用，從智能手機(jī)和超高速寬帶到藥物輸送和計(jì)算機(jī)芯片。”
最近美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員就開(kāi)發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級(jí)電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機(jī)甚至汽車充電，同時(shí)可用于制造體積較小的器件。
微型石墨烯超級(jí)電容技術(shù)突破可以說(shuō)是給電池帶來(lái)了革命性發(fā)展。目前主要制造微型電容器的方法是平板印刷技術(shù)，需要投入大量的人力和成本，阻礙了產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用。而現(xiàn)在只需要常見(jiàn)的DVD刻錄機(jī)，甚至是在家里，利用廉價(jià)材料30分鐘就可以在一個(gè)光盤上制造100多個(gè)微型石墨烯超級(jí)電容。
正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國(guó)家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專利。歐盟委員會(huì)將石墨烯作為“未來(lái)新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，設(shè)立專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，未來(lái)10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費(fèi)。英國(guó)政府也投資建立國(guó)家石墨烯研究所(NGI)，力圖使這種材料在未來(lái)幾十年里可以從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場(chǎng)。
中國(guó)在石墨烯研究上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，從生產(chǎn)角度看，
作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國(guó)儲(chǔ)能豐富，價(jià)格低廉。另外，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。而我國(guó)最新的研究成果已成功突破這兩大難題，制造成本已從5000元/克降至3元/克，解決了這種材料的量產(chǎn)難題。利用化學(xué)氣相沉積法成功制造出了國(guó)內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。
中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院的研究人員在展示單層石墨烯產(chǎn)品的超強(qiáng)透光性和柔性。
隨著研究的不斷深入，技術(shù)難題的接連攻克，應(yīng)用范圍也在不斷拓寬，相信石墨烯器件時(shí)代已為期不遠(yuǎn)，現(xiàn)在也可以期待一下這一“21世紀(jì)的神奇材料”會(huì)帶來(lái)怎樣的驚喜。
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