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告別一天一充電 石墨烯改變未來不靠譜?

　　我們經常可以在各種科技網站中看到石墨烯的新聞。似乎這種新材料具有很大的潛力，可以影響多個行業。甚至有人說這是未來材料革命的核心技術。那么這種說法靠譜嗎？其實石墨烯的確也是香餑餑一個。2004年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。僅僅6年的時間，一種新材料的發現，就被諾貝爾物理學獎所肯定，由此也可見石墨烯的重要性。

安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)

　　從技術看，石墨烯和石墨的關系非常的密切。石墨烯是由碳六元環組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結構, 它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。

單層石墨烯及其派生物示意圖

　　石墨烯是一種二維材料，也是未來科技研究的一個重要方向。在科幻圈非常火熱的《三體》小說中，就對于這種研究方向進行了渲染。外星高等文明三體人制造的智子用于監視并鎖死地球的基礎科學。這種微觀計算機通過將質子二維展開，將二維的質子改造成計算機后轉回到高緯來制作。

　　當然石墨烯還沒有如此出神入化，但是石墨烯給予很多人非常的深刻的印象，石墨烯能否改變我們未來的生活呢？今天我們就來深度解析石墨烯這種大名鼎鼎的材料。

石墨烯雖然是高科技材料，但是很容易得到。只要使用膠帶在粘在石墨的表面，撕下來之后，經過一定的處理就可以得到石墨烯了。當然這種原始的方法，不能適應大規模的生產。（石墨烯的制備一直是個大問題，我們之后再談。）石墨烯是一種碳納米二維材料，平面像六角的蜂巢結構，質料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導體都快，而全材料僅一個碳原子厚度，是全世界已知材料最薄的。其實分析石墨烯的性質，可以從不同的角度來看。

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石墨烯的應用市場

力學性質：已知機械強度最高的材料

　　石墨烯是人類已知機械強度最高的材料，它的楊氏模量高達1TPA，比鋼鐵還高200倍。因此石墨烯可以制成碳纖維、復合材料、復合金屬等，在航空等領域有一定的潛力。

　　楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量。

熱學性質：導熱性能良好

　　石墨烯的導熱性能優于碳納米管。普通碳納米管的導熱系數可達3500W/mK，理論值甚至高達6000W/mK，是目前導熱率最高的天然材料金剛石的2.5倍。因此石墨烯在需要導熱的領域，也是前景巨大。其實我們日常使用的手機、筆記本電腦等產品都需要良好的導熱。

石墨烯具有多種優質特性

光學性質：透明度高

　　石墨烯單層對可見光僅2.3%的吸收，透明度為97.7%。利用這個性質，可以代替目前液晶面板使用的ITO導電玻璃，因為ITO玻璃的基本要求就是導電和透明度，顯然石墨烯是有這樣的優勢的。

電學性質：比表面積大

　　石墨烯有很大的比表面積，可以攜帶更多的鋰離子，得到和失去鋰離子的速度都很快，這種特性給鋰電池增加容量，加快充放電速度提供了物理基礎。這樣我們以后的手機電池，就可以不必一天一充了。

　　比表面積是指單位質量物料所具有的總面積

　　其實石墨烯還有很多的特性，但是可以應用在IT行業的特性，主要就是上面幾種。屏幕和電池是石墨烯的主攻市場。雖然我們上面分析了石墨烯具有的特性，但是實際的應用面臨的問題也很多。接下來我們就分析一下石墨烯在屏幕以及電池行業的發展。

上面我們提到石墨可以用來制成新的導電極，用于替代ITO玻璃。液晶分子的運動與排列都需要電子來驅動，因此在液晶的載體——TFT玻璃上，必須有能夠導電的部分，來控制液晶的運動，這里將會用ITO(Indium Tin Oxide，透明導電金屬)來做這件事情。ITO是透明的，這樣才不會阻擋背光。

石墨烯單層透明度為97.7%

　　目前ITO的透過率已經在90%左右了。而石墨烯單層對可見光僅2.3%的吸收，透明度為97.7%，從90%到97.7%，提升了7.7%的透過率，這也是石墨烯制作液晶屏幕的優勢。那么這種優勢是否值得關注呢？筆者認為從目前的產業發展來看，石墨烯的勝算并不大。

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石墨烯更適合用來做觸控模組

　　目前液晶屏幕亮度已經很高，手機的面板已經可以做到500nit左右，所以90%上升到97.7%，對于用戶的直觀感覺提升并不大，況且用戶對于超高亮度的液晶屏幕需求也并不高，畢竟在太陽底下使用屏幕的情況并不多。其次97.7%的石墨烯是單層的石墨烯，因為石墨烯每增加一層厚度，光透過率降低2%-3%。而單層石墨烯應用在液晶屏幕里是不太可能的。

　　單層的石墨烯對于蝕刻的要求非常的嚴苛，如果采用單層的方案，產品的良率就成了問題。并且單層石墨烯的電阻很大。雖然石墨烯的導電性很強，但是單層的石墨烯結構不完整，因此電阻會成倍增加，這也是一個挑戰。從目前的行業來看，石墨烯替代ITO玻璃的優勢并不大，因此筆者不看好其在屏幕領域的發展。

石墨烯電池也吵得很熱，這是因為目前的電池技術，已經接近20年沒有長足的進步了。我們在使用智能手機的時候，也強烈感受到電池技術的桎梏。石墨烯有很大的比表面積，但是在試驗中，石墨烯做負極的鋰電池循環壽命很差，充放電快，但是用不了太久。于是人們就開始研發各種各樣的復合材料來做負極，試圖找到一種材料，能把充放電速度快、長循環壽命、高能量密度結合起來。但是目前這種努力還沒有成果。

石墨烯電池的成本高

　　此外把一個電極的材料全換成石墨烯在鋰電池中應用，石墨烯主要起到的作用，一是導電劑，二是可能做電極嵌鋰材料。這兩點作用傳統的導電碳/石墨都可以做到，縱然石墨烯放電與充電的速度更快，但是成本卻非常的高昂。

石墨烯電池難以替代目前的產品

　　相反我們國家是一個石墨資源比較豐富的國家，目前石墨的價格比較合理，所以才可以大面積的應用。對比石墨烯，由于制備技術還沒有獲得突破，所以石墨烯的成本很高。因此即便解決了復合電極的問題，成本的問題也不是短時間可以解決的。

　　并且石墨烯做負極，理論上最多是石墨負極兩倍的容量，首次效率低，性能受表面狀態影響極大等特點，也使得石墨烯作負極的優勢并不明顯。并且目前電池領域已經開始使用硅來作為負極。硅的理論容器近石墨的10倍，因此石墨烯解決了復合材料與成本問題之后，也要面臨硅的挑戰。在電池領域，石墨烯要走的道路還很長。

就石墨烯本身的發展來看，其遇到的最大問題，其實是制備的問題。依靠膠帶來粘，實現大規模的工業化生產肯定是不現實的。目前也有很多方法用于制備石墨烯，主要分為機械方法和化學方法。一般來說機械的方法，無法實現低成本大規模的生產，而化學的方式容易破壞石墨烯的結構，一旦結構破壞了，石墨烯的各種特性都會出現變化。

石墨烯大規模制備還是問題

　　從市場來看，其實石墨烯的發展前景，也未必就有多么的光明。我們都知道一個技術能否發展起來，并非僅僅看它的前沿性。研究人員給出了許多種石墨烯的應用方向，似乎石墨烯是萬能的，每個領域都有不錯的發展。但是一旦上升到工業層次，都需要在對應領域尋找生存空間。

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石墨烯前景并沒有想象的光明

　　我們分析了石墨烯在液晶屏幕以及電池領域的發展，也是可以看到上面的問題。石墨烯必須與對應領域里的技術相結合，才可以具有發展的前景。但是石墨烯又面臨對應領域技術的挑戰。比如用石墨烯代替ITO如果無法實現質的飛躍，那么石墨烯的升級就變得沒有必要了。

　　其實這也不僅僅是石墨烯遇到的問題，比如我們一直在熱議的OLED屏幕，其在特性上相比于目前的液晶屏幕，的確有著很多的優勢。但是由于升級的效果不明顯，所以也像石墨烯一樣，發展得步履蹣跚。因此對于石墨烯，我們不必抱有太興奮的心情，或許石墨烯最后開花結果的行業，只有那么一兩個而已。

石墨烯必須與對應領域里的技術相結合，才可以具有發展的前景。但是石墨烯又面臨對應領域技術的挑戰。比如用石墨烯代替ITO如果無法實現質的飛躍，那么石墨烯的升級就變得沒有必要了。

蘆杉

來源： 中關村在線 陳占偉

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