石墨烯是一種神奇的材料，它有著同樣惱人的約束條件，使它很難與之共事。其中一個(gè)最重要的問題是，我們?cè)谡{(diào)整材料的商業(yè)用途時(shí)產(chǎn)生了它。雖然已經(jīng)證明了石墨烯生產(chǎn)的許多方法，但沒有一種方法能像硅工業(yè)那樣大規(guī)模地利用硅的生產(chǎn)能力。在2016年初，整個(gè)鑄造行業(yè)估計(jì)每月能有近1200萬(wàn)的晶圓(在200mm的晶圓片中)。在進(jìn)入生產(chǎn)之前，石墨烯并不一定要達(dá)到這個(gè)水平，但任何廣泛采用的材料都需要它實(shí)現(xiàn)自己的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
就像傳統(tǒng)的CVD生產(chǎn)石墨烯的方法一樣，研究人員將碳?xì)浠衔锴绑w分子的混合物噴射到金屬的多晶箔上。然而，他們小心地控制了碳?xì)浠衔锓肿拥木植砍练e，將它們直接帶到正在出現(xiàn)的石墨烯薄膜的邊緣。當(dāng)?shù)孜镆苿?dòng)到下面時(shí)，碳原子不斷地聚集成一個(gè)石墨烯的單晶，長(zhǎng)達(dá)一英尺。
通過(guò)在高溫下運(yùn)行這個(gè)過(guò)程，并仔細(xì)監(jiān)測(cè)氣體混合物的濃度，研究小組能夠保持他們想要的生長(zhǎng)。產(chǎn)生一個(gè)單晶片結(jié)構(gòu)，而不是材料的簇，也創(chuàng)造了一個(gè)更均勻和更大的連續(xù)材料。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們都清楚地知道，能源儲(chǔ)存是一項(xiàng)首要任務(wù)，可以使一系列的清潔技術(shù)創(chuàng)新，從汽車電氣化到可用于可變能源的公用事業(yè)規(guī)模存儲(chǔ)。但是由于電池是由各種簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)組合而成的，由于元素周期表中的元素?cái)?shù)量很大，所以大部分的想法都被嘗試過(guò)了。托馬斯·愛迪生曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“如果有人告訴你，他們有一個(gè)很棒的新電池，不相信他們?！?/p>
石墨烯在能量?jī)?chǔ)存中的作用繼續(xù)發(fā)展。
從超級(jí)電容器到鋰離子電池，石墨烯可以提供一些東西。
石墨烯理事會(huì)通訊一直在努力追蹤石墨烯在超級(jí)電容器上的應(yīng)用。
為了填充一些背景，超級(jí)電容是電池和電容器之間的一種交叉。電池依賴于一種能改變離子的化學(xué)狀態(tài)的液體電解質(zhì)來(lái)操作，而電容器則以靜電的形式儲(chǔ)存在電極表面的離子。這意味著電容器能夠在大爆炸中非常迅速地釋放能量，并且?guī)缀蹩梢匝杆俚爻潆姟?/p>
能量存儲(chǔ)裝置能夠充電和放電的速度稱為“功率密度”。電容器的功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以電為基礎(chǔ)的電池，在這種電池中，電力輸送緩慢，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能充電。然而，在電池有電容器的地方，他們可以儲(chǔ)存比電容器更多的能量，然后可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)使用。這種儲(chǔ)存能量的能力被稱為“能量密度”，本質(zhì)上是指電池比電容器儲(chǔ)存更多的能量。
另一方面，超級(jí)電容器是一種介于電解質(zhì)電池和電容器之間的混合物。像電容器一樣，超級(jí)電容器的離子以靜電的形式儲(chǔ)存在電極表面。然而，它與傳統(tǒng)的電容器不同，在充電過(guò)程中，電解液是用來(lái)吸引離子到電極上的。
超級(jí)電容現(xiàn)在已經(jīng)被使用了，但通常與傳統(tǒng)電池一起使用，這樣它們就能在諸如電動(dòng)起重機(jī)之類的應(yīng)用中快速地釋放能量，這可能需要額外的提振來(lái)提振沉重的負(fù)荷。
雖然這滿足了工業(yè)需求，但人們的希望是，如果超級(jí)電容器的能量密度能夠提高，他們就可以為電動(dòng)汽車(電動(dòng)汽車)提供一個(gè)有吸引力的替代傳統(tǒng)電池。今天的電動(dòng)汽車，就像特斯拉一樣，有480公里的續(xù)航里程，但它可以從一個(gè)240伏的插座充電9.5小時(shí)，從0到480公里。這顯然限制了他們作為化石燃料汽車的替代品的吸引力。
超級(jí)電容的充電速度可能要快得多，但問題是，你無(wú)法儲(chǔ)存足夠的能量，使其在電荷上走得很遠(yuǎn)。
石墨烯被認(rèn)為是目前用于在超級(jí)電容器電極上儲(chǔ)存離子的材料的替代品。原因是你想要的材料有一個(gè)大的表面積。表面積越大，就能儲(chǔ)存更多的離子。
關(guān)鍵是要在材料科學(xué)中找到一些新的發(fā)展，使現(xiàn)有電池的特性得到徹底的改善。對(duì)于許多應(yīng)用，特別是電動(dòng)汽車，我們希望能夠儲(chǔ)存大量的能量和最小的重量，所以關(guān)鍵指標(biāo)的單位是瓦特小時(shí)/千克。
一個(gè)典型的鋰離子電池達(dá)到200 Wh/kg，而熟悉的鉛酸電池約為40 Wh/kg。另一個(gè)關(guān)鍵因素是電池在充電和放電的循環(huán)過(guò)程中表現(xiàn)如何，對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，你想要超過(guò)1000個(gè)周期而不會(huì)有嚴(yán)重的惡化。如果電池充電時(shí)不著火，那也很好!
在過(guò)去的幾個(gè)月里，似乎有了一個(gè)突破，從一個(gè)被認(rèn)為是有希望的電池開始，鋰硫電池。這開始是對(duì)鋰離子電池的化學(xué)修飾，但被擱置一邊，因?yàn)樗趲资畟€(gè)充電周期內(nèi)迅速惡化。
石墨烯的理論表面積約為2600平方米/克。不幸的是，理論上的表面積可以被轉(zhuǎn)換成一個(gè)真正的設(shè)備，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)獨(dú)立的石墨烯薄片才能實(shí)現(xiàn)表面積。為了讓它在實(shí)用的設(shè)備,將提供一個(gè)體面的工作容量電容需要堆棧的床單上彼此此時(shí)理論面積丟失和你得到相同的表面積與今天使用的活性炭。
許多顯示石墨烯的獨(dú)特能力，以革新一些著名的設(shè)備應(yīng)用程序的發(fā)展之一。它也是過(guò)去二十年來(lái)強(qiáng)調(diào)將納米技術(shù)應(yīng)用于電子技術(shù)問題的產(chǎn)物。我們可以預(yù)料，在未來(lái)幾年內(nèi)會(huì)有源源不斷的此類事態(tài)發(fā)展。
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