石墨烯到底是什么东西？

写回答点赞

共 1 个回答

切换为时间排序

Nya

2020-07-26 07:07:26

制造原理

制造│机械│技术

手工│DIY │科技

来源：雄安石墨烯

石墨烯，一个熟悉又陌生的名词。今天为大家详细讲讲石墨烯的前世今生！

石墨烯又被称为“黑金”、“新材料之王”，被誉为改变21世纪的“神奇材料”，不仅在航空航天、太阳能利用、纳米、电子学、生物医疗、复合型材料等领域有广泛运用，而且在我们服饰、日用品等也独具商业应用潜能。

石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料；是获得诺贝尔奖的21世纪“神奇材料”，未来一定会给人类的生活带来巨大改变，比如石墨烯电池20秒钟就能充满电且使用半个月，比如石墨烯电池的电动汽车充电10分钟能续航1000公里，这将是对世界的颠覆。

石墨烯诺奖获得者

2010年诺贝尔物理学奖授予了英国曼彻斯特大学的Andre Geim（海姆）和Konstantin Novoselov（诺沃肖洛夫），表彰他们2004年利用透明胶带制备出二维石墨烯（graphene）材料。

石墨烯是目前已知材料中最薄的一种，薄到只有一层原子。实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯

石墨烯简介

石墨烯是碳原子以六边形蜂巢状排列构成的单层二维晶体：

• 世界上最薄最坚硬的纳米材料

• 几乎完全透明 (吸收2.3%的光)

• 导热系数高达5300 W/m·K

• 电子迁移率15000 cm2/V·s

• 电阻率世上最小 (10-6 Ω·cm)

石墨烯分类

石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。

（1）单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

（2）双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

（3）少层石墨烯（Few-layer）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

（4）多层或厚层石墨烯（multi-layer graphene）：指厚度在10层以上10nm以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

平常所说的石墨烯的很多性能是基于单层或双层石墨烯

石墨烯的应用—石墨烯电池

传统锂电池阴极导电率不高

（1）添加石墨烯作为导电剂促进电量转换

（2）石墨烯夹层其他纳米材料，形成纳米复合结构（如图）

（3）提高导电性，纳米复合结构也能提高电荷密度

（4）石墨烯高热导率可以在充放电过程中帮助散热，并能防止电极热膨胀，提高电池使用寿命

石墨烯有很大的比表面积，但是在试验中，石墨烯做负极的锂电池循环寿命很差，充放电快，但是用不了太久。

（5）此外把一个电极的材料全换成石墨烯在锂电池中应用，石墨烯主要起到的作用，一是导电剂，二是可能做电极嵌锂材料。这两点作用传统的导电碳/石墨都可以做到，纵然石墨烯放电与充电的速度更快，但是成本却非常的高昂

（6）相反我们国家是一个石墨资源比较丰富的国家，目前石墨的价格比较合理，所以才可以大面积的应用。对比石墨烯，由于制备技术还没有获得突破，所以石墨烯的成本很高。因此即便解决了复合电极的问题，成本的问题也不是短时间可以解决的。

（7）并且石墨烯做负极，理论上最多是石墨负极两倍的容量，首次效率低，性能受表面状态影响极大等特点，也使得石墨烯作负极的优势并不明显。并且目前电池领域已经开始使用硅来作为负极。硅的理论容器近石墨的10倍，因此石墨烯解决了复合材料与成本问题之后，也要面临硅的挑战。在电池领域，石墨烯要走的道路还很长。

石墨烯的应用—柔性显示

石墨烯透明、导电性能及柔软的机械性能可用于柔性显示

中科院重庆绿色智能所研制的石墨烯显示屏

三星的石墨烯柔性显示屏

（1）在未来的触摸屏领域，石墨烯电容式触摸屏有望替代现有的氧化铟锡 (ITO) 透明电极，与传统的 ITO 触摸屏相比，石墨烯触摸屏有如下优点：

首先，无毒环保，石墨烯由纯碳构成，即使植入生物体内，也仅产生微弱的排异反应。相比 ITO 使用有毒的稀有金属铟，石墨烯对环境友好。

其次，石墨烯的光学性能要优于 ITO，能部分消除镜面反射，可有效解决长期困扰 ITO 的光学镜面反射问题。在强光下，ITO 屏幕会变黑，而同样情况下的石墨烯触摸屏镜面反射会减弱很多，用户可以正常使用

（2）目前ITO的透过率已经在90%左右了。而石墨烯单层对可见光仅2.3%的吸收，透明度为97.7%，从90%到97.7%，提升了7.7%的透过率，这也是石墨烯制作液晶屏幕的优势。但从目前的产业发展来看，石墨烯的胜算并不大。

（3）目前液晶屏幕亮度已经很高，透光度从90%上升到97.7%，对于用户的直观感觉提升并不大，况且用户对于超高亮度的液晶屏幕需求也并不高，毕竟在太阳底下使用屏幕的情况并不多。其次97.7%的石墨烯是单层的石墨烯，因为石墨烯每增加一层厚度，光透过率降低2%-3%。而单层石墨烯应用在液晶屏幕里是不太可能的。

（4）单层的石墨烯对于蚀刻的要求非常的严苛，如果采用单层的方案，产品的良率就成了问题。并且单层石墨烯的电阻很大。虽然石墨烯的导电性很强，但是单层的石墨烯结构不完整，因此电阻会成倍增加，这也是一个挑战。从目前的行业来看，石墨烯替代ITO玻璃的优势并不大，因此其在屏幕领域的发展还需要再观察。

石墨烯的应用—石墨烯微电子器件

石墨烯具有特殊的能带结构

利用其特性制造各类微电子器件