16年专注锂电池定制

浅谈新一代石墨烯电容器有多强大?

来源:钜大LARGE    2018-07-12    点击量:106

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据美国商业资讯网报道,全球首个采用石墨烯打造超级电容移动电源的Zapgo有限公司(Zap&Go),日前正式和株洲企业——立方新能源科技有限责任公司(以下简称立方新能源)签订合作协议,共同开发“Carbon-Ion”石墨烯超级电容器。这预示着以石墨烯为代表的下一代888娱乐场|888全讯网|888真人投注开始商业化量产。

Zap&Go总部位于英国牛津的哈威尔研究中心,是一家国际知名的科技型公司。公司旗下的Carbon-Ion超级电容器是第一款可以实现商业化的锂离子电池替代品。立方新能源创立不到4年,已成为省内新能源锂离子电池研发生产的龙头企业。此次双方之所以能达成合作,源于Carbon-Ion超级电容器使用的生产线与锂离子电池相同:立方新能源生产这一全新的产品,无须另外设计和安装生产线。

立方新能源总经理涂健表示,立方新能源期待和Zap&Go公司建立强有力的合作关系,推动石墨烯超级电容技术在各种电子产品市场中的应用。该技术最初将应用于电动摩托车、无绳电动工具和清洁机器人。相比目前普通电池几个小时的充电时间,Carbon-Ion超级电容器三五分钟即可完成充电。产品预计于2018年初上市。

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体(monocrystallinesilicon)高,而电阻率只约10-6Ω·cm,比铜或银更低。石墨烯适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

电子运输

在发现石墨烯以前,大多数(如果不是所有的话)物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。

石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e/h,6e/h,10e/h....为量子电导的奇数倍,且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学,没有静质量”。

导电导热特性

石墨烯结构非常稳定,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electricchargecarrier),的性质和相对论性的中微子非常相似。

石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

加州大学河滨分校(UCRiverside)的AlexlanderBalandin教授及其研究小组成员应用拉曼光谱偏移测量手段,测得悬空的单层石墨烯在室温下可拥有4840W/mK的高热导率。石墨烯的高热导率特性也进一步支持石墨烯作为新电子器件材料的应用前景。

机械特性

石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中,他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是把这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上,这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后,他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力,以测试它们的承受能力。

研究人员发现,在石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算,这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100纳米)石墨烯,那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说,如果用石墨烯制成包装袋,那么它会能承受大约两吨重的物品。

电子的相互作用

利用世界上最强大的人造辐射源,美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密:石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。

科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(ALS)”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现,石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈,而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

化学性质

关于石墨烯化学知道的是:类似石墨表面,石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看,石墨烯的性质类似于石墨,可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的应用,然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍:缺乏适用于传统化学方法的样品。这一点未得到解决,研究石墨烯化学会面临重重困难。

记忆效应

质谱测定中的记忆效应表现为一次涂样测定的结果受到残存在离子源内测定过的同种样品的影响,当前后样品的待测同位素丰度相差越大时,记忆效应带来的影响也越大。在热电离质谱测定中,记忆效应主要由石墨烯表面吸附和样品沉积两种因素引起。有些活性强的化合物的蒸气与离子源内表面接触时会被吸附,吸附量的多少除了与化合物的性质有关外,还与离子源内表面的材料及光洁度有关。

当长期工作以后,样品蒸气在离子源内表面的沉积会越来越多,特别是在源的出口缝及离子光学透镜的狭缝处,如果在高温下工作,沉积在离子源内表面的样品会受热再次蒸发而被电离,影响测定结果的准确性。另外一种情况,虽然测定的元素与离子源已沉积的元素不一样,但它们是同质异位素,这样离子源内表面的沉积也会对测定结果带来影响。记忆效应的强弱与所采用的样品化合物的形式有关,如进行锂同位素测定时,采用不同锂化合物凃样,定量测定的记忆的锂量相差很大,其中以LiF的记忆效应最强。

潜在作用

1、石墨烯有抗菌物质:中科院上海分院某位科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效,而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性,则可能找到一系列新的应用,像自动除去气味的鞋子,对有害菌导致的便秘进行快速消除,或保存食品新鲜的包装。这可是与人们的生活密切相关的哦。

2、石墨烯能够淡化海水:研究表明,石墨烯过滤器可能大幅度的胜过其他的海水淡化技术。如果能够与水分子分解发电技术结合,水、电就会成为非常廉价的产品,人类就不会为缺水、停电烦恼。

3、石墨烯能够作为太阳能电池:南加州大学维特比工程学院的实验室报告高度透明的石墨烯薄膜的化学气相沉积法在2008年的大规模生产。在这个过程中,研究人员创建超薄的石墨烯片,方法是在甲烷气体中的镍板上,由首先沉积的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然后,他们在石墨烯层之上铺下一层热塑性保护层,并且在酸浴中溶解掉下面的镍。在最后的步骤中,他们把塑料保护的石墨烯附着到一个非常灵活的聚合物片材,它可以被纳入一个有机太阳能电池(OPV电池,石墨烯光伏电池)。石墨烯/聚合物片材已被生产,大小范围在150平方厘米,和可以用来生产灵活的有机太阳能电池(OPV电池)。这可能最终有可能运行能覆盖广泛的地区的廉价太阳能电池,就像报纸印刷机的印刷报纸一样。

4、石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质。石墨烯具有高的载流子迁移率(carriermobility),以及低噪声,允许它被用作在场效应晶体管的通道。问题是单层的石墨烯制造困难,更难作出适当的基板。

根据2010年1月的一份报告中,对SiC外延生长石墨烯的数量和质量适合大规模生产的集成电路。在高温下,在这些样品中的量子霍尔效应可以被测量。另请参阅IBM在2010年的工作的晶体管一节中,速度快的晶体管'处理器'制造了2-英寸(51-毫米)的石墨烯薄片。然而在2011年6月,IBM的研究人员宣布,他们已经成功地创造了第一个石墨烯为基础的集成电路-宽带无线混频器。电路处理频率高达10GHz,其性能不受温度可高达127摄氏度的影响。

5、石墨烯可以用于超级电容器的导电电极,因石墨烯具有特高的表面面积对质量比例。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。

6、石墨烯生物器件。由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色,应用于细菌侦测与诊断器件,石墨烯是个很优良的选择。

科学家希望能够发展出一种快速与便宜的快速电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。基本而言,他们想要用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞,让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基(A、C、G、T)会对于石墨烯的电导率有不同的影响,只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异,就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。这样,就可以达成目的。

7、作为导热材料或者热界面材料。2011年,美国佐治亚理工学院(GeorgiaInstituteofTechnology)学者首先报道了垂直排列官能化多层石墨烯三维立体结构在热界面材料中的应用及其超高等效热导率和超低界面热阻。

8、单分子气体侦测。石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。这类检测可以分为直接检测和间接检测。通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时,吸附位置会发生电阻的局域变化。当然,这种效应也会发生于别种物质,但石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质,能够侦测这微小的电阻变化。

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