石墨烯的应用领域

第二章石墨烯应用领域

石墨烯因其独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能和高比表面积，近年来受到化学、物理、材料、能源、环境等领域的极大重视，应用前景广阔，被公认为21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。具体在五个应用领域：一是储能领域。石墨烯可用于制造超级电容器、超级锂电池等。二是光电器件领域。石墨烯可用于制造太阳能电池、晶体管、电脑芯片、触摸屏、电子纸等。三是材料领域。石墨烯可作为新的添加剂，用于制造新型涂料以及制作防静电材料。四是生物医药领域。石墨烯良好的阻隔性能和生物相容性，可用于药物载体、生物诊断、荧光成像、生物监测等。五是散热领域。石墨烯散热薄膜可广泛应用于超薄大功耗电子产品，比如当前全球热销的智能手机、IPAD 电脑、半导体照明和液晶电视等。

中国科学院预计，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，在纳米电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。目前，全球范围内仅电子行业每年需消耗大约2500吨半导体晶硅，纯石墨烯的市场价格约为人民币1000元/g ，其若能替代晶硅市场份额的10%，就可以获得5000亿元以上的经济利益；全球每年对负极材料的需求量在2.5万吨以上，并保持了20%以上的增长，石墨烯若能作为负极材料获得锂离子电池市场份额的10%，就可以获得2500吨的市场规模。可见，石墨烯具有广阔的应用空间和巨大的经济效益。

正是在这一背景下，目前国内外对石墨烯技术的应用研究如火如荼，具体应用如下：

2.1 石墨烯锂离子电池

锂离子电池具有容量大、循环寿命长、无记忆性等优点，目前已成为全球消费类电子产品的首选电池以及新能源汽车的主流电池。高能量密度、快速充电是锂电池产品发展的必然趋势，在正极材料中添加导电剂是一种有效改善锂电性能的途径，可大大增加正负极的导电性能、提高电池体积能量密度、降低电阻，增加锂离子脱嵌及嵌入速度，显著提升电池的倍率充放电等性能，提高电动车的快充性能。

所谓石墨烯电池并非整个电池都用石墨烯材料制作，而是在电池的电

极使用石墨烯材料。在理论上石墨烯电极可能有超过石墨两倍的比容量。另外，如果将石墨烯和炭黑混合后作为导电添加剂加入锂电池可以有效降低电池内阻，提升电池倍率充放电性能和循环寿命，而且电池的弯折对充放电性能没有影响，因此电极采用石墨烯材料后，使电池具备高充放电速率是石墨烯电池具备快速充电的原因。

在锂电池中应用，石墨烯的主要功能包括两个：一是导电剂，二是电极嵌锂材料。以上两点应用都是在和传统的导电碳/石墨竞争。目前石墨烯在锂电池中的添加形式主要有三种：导电添加剂、电极复合材料、直接作为负极材料，目前石墨烯导电剂研发技术已经相对成熟。

石墨烯在锂电池中的应用

2.1.1石墨烯作为锂离子电池正极导电添加剂

锂电池正极材料导电添加剂，显著提高充放电及导电性能，正极材料导电添加剂是石墨烯锂电池应用中走在产业化最前端的一环。

石墨烯是高性能锂电池正极导电添加剂的新选择。利用其二维高比表面积的特殊结构所带来的优异电子传输能力，可显著提高电极材料容量挥发、降低电池内阻，提高倍率性和循环寿命，改善电池的高低温和安全性

能。

全球石墨烯导电剂用量预测

就石墨烯导电剂而言，其凭借石墨烯优异的载流子迁移率(15000cm2/V-1? s-1)和超低电阻率（10-6Ω·cm），可显著降低电池内阻、提高倍率性能和循环寿命，并改善电池的高低温和安全性能。

2.1.2 石墨烯作为锂离子电池负极材料

石墨烯负极材料能够提高负极锂电池理论比容量和倍率性能。石墨烯的孔道结构使得锂离子在负极材料中的扩散路径比较短，有效提高电导率；石墨烯优异的机械性能和化学性能使得其复合电极材料具备结构稳定性，能够有效提高电极材料循环稳定性。

石墨烯包覆硅用于负极可提高储能密度，助推电池轻量化。目前实验室石墨烯包覆硅的复合材料储能密度可达到800mAh/g。

2.1.3 石墨烯应用于锂离子电池功能涂层铝箔

石墨烯功能涂层铝箔可有效降低电池内阻。石墨烯涂覆于铝箔集流体

上，形成石墨烯功能涂层铝箔可使电池内阻降低一半，而容量不受损失，同时电池的循环寿命提高20%以上。

2.1.4 石墨烯应用于锂离子电池导电浆料

石墨烯导电添加剂显著提高充放电及导电性能。导电添加剂是石墨烯锂电池应用中走在产业化最前端的一环，石墨烯导电浆料技术成熟，成本优势凸显，已批量供货。目前已有多家公司进行石墨烯在锂电池的应用，石墨烯在导电添加剂方面已经量产。

2.1.5 石墨烯基锂硫电池

以单质硫为正极，金属锂为负极的锂硫电池具有高达2600 Wh·kg-1的理论能量密度，高导电石墨烯作为集流体，相比传统的金属集流体，其轻质的特点有助于提升电池整体的能量密度并，同时由于单质硫储量丰富、价格低廉等特点，锂硫电池被视为最具有发展前景的下一代高能量二次电池之一，受到了研究者的广泛关注。

2.2 石墨烯燃料电池

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。

石墨烯有益于解决燃料电池中技术难题及成本问题。利用石墨烯类膜材料输运特性有望解决燃料电池核心部件“质子传导膜”的燃料渗透难题，同时用掺氮石墨烯催化剂显然可大大降低燃料电池成本。

石墨烯燃料电池

2.3 石墨烯纸蓄电池

将氧化石墨烯制成石墨烯纸，石墨烯纸可起到质子导体作用，用石墨烯纸制成的蓄电池具有良好的初容量。石墨烯的掺入可使蓄电池的比容量及活性物质利用率提升10 % 以上。

蓄电池负极中分别加入石墨烯，提升了高倍率放电性能，大大延长了循环寿命，添加石墨烯的负极板都具有70 % 以上的高孔率。

石墨烯纸以极好的导电性，极大的比表面积等特殊性能，应用到蓄电池中可提升比容量和活性物质利用率；石墨烯可使铅膏保持高孔率，有利于提升电池的倍率放电能力和充电接受能力，延长循环寿命。

2.4 石墨烯超级电容

超级电容器是一种介于传统电容器和二次电池之间的电化学储能装置，具有高功率密度、快速充放电、高循环寿命、无污染、免维护等优点，在各类需要能源转化的领域有着巨大的应用价值。但是超级电容器目前受

到电极材料的制约，能量密度普遍低于20wh/kg。

石墨烯本身具备超大的比表面积(2600 m2/g)，应用于超级电容器电极能显著提高储能密度，其储能密度与铅酸电池接近，是超级电容器的理想电极材料。石墨烯超级电容制成的汽车，一次充电时间只需8 分钟，即可供电力新能源汽车行驶1000 千米。石墨烯超级电容能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍，电池重量只是锂离子电池的一半，使用寿命是目前锂电池2倍，是传统氢化电池的4倍，成本将比目前锂电池降低77%。

2.5 石墨烯太阳能电池

石墨烯透过率高（单层为97.3%），方块电阻低，使用石墨烯能够提高光电转化效率，可以作为太阳能电池中的受体材料。石墨烯可以和有机聚合物材料复合形成大的给受体界面，有利于电池中激子的扩散速率和载流子迁移率的提高，消除由于电荷传输路径被破坏产生的二次聚集。

另外石墨烯材料也被应用到各类太阳能电池的光阳极上。将石墨烯薄膜沉积在硅表面，有利于硅电池的表面钝化、掺杂及异质结的形成，且有效提升电池的光电转换效率。

随着国家对新能源开发利用的重视程度，太阳能电池的产销具备持续增长能力，石墨烯的出现正好为光伏产业中一些亟需解决的技术难题提供了解决方案，未来石墨烯在光伏行业大有可为。

2.6 石墨烯储存氢能源

众所周知，材料吸附氢气量和其比表面积成正比，石墨烯拥有质量轻、