石墨烯的应用领域.doc

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2600Wh·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