歐洲科學(xué)技術(shù)協(xié)會(SciTechEuropa)探索石墨烯，以及它如何在我們的日常生活中發(fā)揮更持久的作用，為我們與數(shù)字技術(shù)和移動設(shè)備的關(guān)系提供動力。

移動設(shè)備依賴于目前使用鋰離子技術(shù)制造的可充電電池。隨著這些器件的不斷進(jìn)步，它們的應(yīng)用對低容量鋰離子電池的壓力越來越大。然而，石墨烯，一種透明而靈活的二維材料，被認(rèn)為是最薄的化合物。石墨烯具有許多高價值的特性，包括亮度、柔韌性和高導(dǎo)電性，而且價格低廉。因此，石墨烯增強(qiáng)的鋰離子電池被認(rèn)為是一種可以推動技術(shù)進(jìn)步的材料，不僅可以用于移動設(shè)備，還可以用于一系列技術(shù)應(yīng)用，無論是體育設(shè)備、汽車還是音頻設(shè)備。《歐洲科學(xué)技術(shù)》探索了這種創(chuàng)新材料如何在我們的日常生活中發(fā)揮更持久的作用，通過推動我們與數(shù)字技術(shù)和移動的關(guān)系，以及它所看到的成功和障礙。

石墨烯的基本形態(tài)是單層碳原子，排列在晶格中，具有用于柔性顯示器、可穿戴設(shè)備以及先進(jìn)電子設(shè)備的潛力。

它具有許多優(yōu)越的性能，是一種理想的電池材料。當(dāng)比較鋼和石墨烯時，后者的強(qiáng)度是后者的數(shù)百倍。因此，這種材料可以用來增加能量存儲，無論是超級電容器的形式，還是更小的電池形式，如袋和硬幣電池。石墨烯在這類應(yīng)用中的好處在于提高能源密度、容量和能源產(chǎn)品的壽命。

便攜式各種電池的潛力

電池和超級電容器有各種各樣的優(yōu)點，但也有不足之處;盡管有許多類型的電池能夠儲存大量的能量，但它們往往由于體積大、重量大以及釋放能量的速度慢而處于劣勢。然而，電容器使用戶能夠以更有效的速度充電和放電，以及負(fù)擔(dān)得起。然而，采用石墨烯來提高電池和超級電容器的性能，可能會模糊這兩種能量存儲之間的界限。

石墨烯供電的超級電容器儲存大量能量，便于快速充放電。由于其高效、快速的充電特性，石墨烯可以看到需要更高功率的設(shè)備變得更容易獲得和攜帶。

基于石墨烯的電池替代品已經(jīng)改善了能量存儲，并通過其使用和充電的生命周期提高了性能。通過在電池電極上添加二維材料，提高了電池的能量容量和可靠性。隨后，我們的設(shè)備可以更長久地保持更高的效率，提供更高的性價比。

將石墨烯應(yīng)用于先進(jìn)技術(shù)

2016年，總部位于中國的網(wǎng)絡(luò)、電信和服務(wù)公司華為透露，他們試圖開發(fā)一種石墨烯增強(qiáng)的創(chuàng)新鋰離子電池。該電池在市場上的宣傳是，即使在超過50°C的極限溫度下，也能保持功能，并延長運(yùn)行時間。利用多項創(chuàng)新技術(shù)，華為電池通過以下方式確保散熱:

1.電解液內(nèi)的抗分解添加劑;

2.化學(xué)穩(wěn)定晶體陰極;

3.石墨烯。

因此，制造商補(bǔ)充說，石墨烯的使用降低了電池的工作溫度5℃。

實現(xiàn)石墨烯技術(shù)的商業(yè)化

2017年，有報道稱，三星電子技術(shù)研究院——三星高級技術(shù)研究院(SAIT)已經(jīng)開發(fā)出一種核心電池技術(shù)，該技術(shù)使用石墨烯來提供更長的運(yùn)行時間和更快的充電速度。據(jù)說石墨烯“球”能使電池容量提高45%，同時使電池充電速度比目前標(biāo)準(zhǔn)快五倍。這項研究的結(jié)果發(fā)表在11月的《自然》雜志上。

該公司生產(chǎn)的電池體積更小、更薄，但不以產(chǎn)能為代價。這種材料正被這家韓國電子公司用于移動設(shè)備，但也顯示出了開發(fā)電動汽車的潛力。

在一份描述這一發(fā)現(xiàn)的文件中，三星寫道：快速充電能力被認(rèn)為是公眾成功采用全電動汽車的關(guān)鍵，這可能消除了汽車市場對采用這種汽車的猶豫，并解決了人們對此類汽車缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的擔(dān)憂。

據(jù)英國《金融時報》報道，三星表示，基于石墨烯的電池技術(shù)將在12分鐘內(nèi)充滿電，而目前的鋰離子電池在一小時左右就能充滿電。由于材料的穩(wěn)定性，電池可以在60°C內(nèi)保持穩(wěn)定，可以用于電動汽車。三星補(bǔ)充說，SAIT開發(fā)了這項技術(shù)，制造了一種使用二氧化硅的方法，合成了3D石墨烯球，并將其與先進(jìn)的鋰離子電池結(jié)合起來。

快速充電的未來

據(jù)美國同行評審期刊《科學(xué)進(jìn)展》12月版報道，中國浙江大學(xué)的研究人員成功地在1.1秒內(nèi)給電池充電，用它給一個燈泡供電約一個小時。該大學(xué)的納米聚合物實驗室報告說，在25萬次充電后，石墨烯基電池保持了91%的容量，并在極端溫度下保持穩(wěn)定。盡管如此，測試電池的電流容量還沒有達(dá)到目前手機(jī)電池所能提供的水平——充電1分鐘后30毫安，而不是3000毫安——因此，這種技術(shù)需要廣泛的研究和開發(fā)，才能投入商業(yè)使用。

為什么石墨烯還沒有在商業(yè)上得到廣泛應(yīng)用?

2010年，曼徹斯特大學(xué)(UniversityofManchester)教授安德烈·海姆爵士(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃塞洛夫(KonstantinNovoselov)因研究石墨烯獲得諾貝爾物理學(xué)獎。結(jié)果，這種材料獲得了巨大的投資，申請了專利，圍繞它的野心也越來越大，希望能改造電子、碳纖維復(fù)合材料和生物技術(shù)等應(yīng)用。盡管如此，由于供應(yīng)鏈的困難和生產(chǎn)成本，石墨烯應(yīng)用的關(guān)注有所減少。

在2018年全球移動大會的講話中,弗蘭克?Koppens光子科學(xué)研究所(IFCO),在巴塞羅那,西班牙,說:“令人驚奇的人認(rèn)為是歷史上很長一段時間,因為如果你回頭看花了很多時間比石墨烯具有新技術(shù)進(jìn)入市場。如果你看看你的智能手機(jī)，里面的技術(shù)是30-40年前發(fā)明的，里面大約有25個諾貝爾物理學(xué)獎。他補(bǔ)充說，目前手機(jī)的發(fā)明和技術(shù)都是上世紀(jì)60年代的發(fā)現(xiàn)，因此，直到現(xiàn)在，這些技術(shù)才在今天的消費(fèi)品中找到了自己的位置。

盡管石墨烯的加工成本仍然很高，但研究人員一直在努力推進(jìn)這項技術(shù)，尤其是在其儲能應(yīng)用方面。目前，石墨烯相關(guān)應(yīng)用的專利已超過5萬項。彭博新能源財經(jīng)分析師朱莉婭·阿特伍德說:“人們擔(dān)心的是加滿汽油和給汽車電池充電的比較。突然之間，這就不是問題了，因為你只需要停十分鐘，你就可以把車開200到300英里。”

可購買哪些石墨烯增強(qiáng)產(chǎn)品?

一系列的產(chǎn)品都在使用這種材料來提高它們的功效。例如，小米MiProHD耳機(jī)在其膜片中使用這種材料，以提供更快的聲音傳輸速度，并在電路中保留100%的原始信號，從而增強(qiáng)了高分辨率音頻。

荷蘭體育和服裝公司的負(fù)責(zé)人將碳、石墨烯和koroyd三種材料結(jié)合在了他們的YouTek石墨烯網(wǎng)球拍和Korefreeride滑雪板上。與此同時，蘭博基尼和美國麻省理工學(xué)院(MassachusettsInstituteofTechnology)正在一個合作項目中探索其在電動汽車上的應(yīng)用，他們希望開發(fā)一種使用石墨烯增強(qiáng)超級電容器的電動汽車——Terzomillenniumo。

目前正在研究的不僅是移動設(shè)備的能源能力，還有石墨烯如何幫助制造未來彎曲和靈活的手機(jī)，盡管這項技術(shù)的交付時間尚不確定。目前一些公司正在生產(chǎn)柔性屏幕，他們聲稱這種屏幕將在今年或明年上市，而且中國也有在觸摸屏中使用石墨烯的智能手表。