Ein Artikel, der Graphen in seiner Gesamtheit liest

Immer wenn es bahnbrechende Neuigkeiten über Graphen gibt, sorgt dies in der Branche für Aufsehen, insbesondere im Batteriebereich. An diesem Punkt sollten wir uns beruhigen und wissen, was Graphen ist, was es kann und das größte Problem, mit dem es derzeit konfrontiert ist.

Graphen ist ein zweidimensionaler Kristall aus dicht gepackten Kohlenstoffatomen. Professor André Heim und Professor Konstantin Novoselov von der Universität Manchester übernahmen 2004 mit einer einfachen Methode die Führung. Eine einzelne Graphenschicht wurde durch Abziehen des Graphits erhalten. Unter den derzeit erhaltenen zweidimensionalen Materialien hat Graphen die dünnste Dicke und große spezifische Oberfläche und ist das Material mit der höchsten Festigkeit, der besten Zähigkeit, dem geringsten Gewicht, der höchsten Durchlässigkeit und der besten Leitfähigkeit. Aufgrund dieser hervorragenden physikalischen Eigenschaften und hervorragenden Anwendungsaussichten haben die Gründer von Graphen 2010 den Nobelpreis für Physik erhalten.

Aufgrund der besonderen Struktur von Graphen weist es auch besondere Eigenschaften auf, die viele andere Materialien nicht haben.

1. Hervorragende Leitfähigkeit: Die Trägerelektronen und Löcher in Graphen sind kontinuierlich und die Mobilität kann 1 & erreichen; Mal; 105 cm2 / Vs senden Elektronen mit einer Geschwindigkeit von 1/300 der Lichtgeschwindigkeit, was die Leitungsgeschwindigkeit in allgemeinen Metallleitern und Halbleitern stark übersteigt und somit eine ausgezeichnete Leitfähigkeit aufweist.

2. Ultrahohe Lichtdurchlässigkeit: Monoschichtgraphen hat eine Lichtabsorption von nur 2,3% in einem sehr weiten Wellenlängenbereich, dh Monoschichtgraphen hat eine Lichtdurchlässigkeit von 97,7%, was weit über 85% des internationalen Standards für liegt transparente leitfähige Filme.

3. Ultrahochfestigkeit: Es wurde festgestellt, dass Graphen das Material mit dem höchsten Elastizitätsmodul und der höchsten Festigkeit nach Kohlenstoffnanoröhren ist. Seine Stärke ist 100-mal so hoch wie die des besten Stahls der Welt. Seine Härte ist höher als die des härtesten Materialdiamanten in der Natur. Gleichzeitig hat es eine hervorragende Flexibilität und kann sich nach Belieben biegen.

4. Ultrahohe Wärmeleitfähigkeit: Ähnlich wie Graphit-, Diamant- und Kohlenstoffnanoröhren weist auch Graphen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Das einschichtige Graphen im freien Zustand hat eine Wärmeleitfähigkeit von 5000 W / mK bei Raumtemperatur, was derzeit bekannt ist. Das Material mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit.

5. Übergroße spezifische Oberfläche: Da Graphen nur ein Kohlenstoffatom dick ist, hat einschichtiges Graphen eine übergroße spezifische Oberfläche, die 2630 m 2 / g erreichen kann, was viel größer ist als die spezifische Oberfläche von gewöhnlicher Aktivkohle.

Wenn Sie nur diese Eigenschaften betrachten, ist Graphen perfekt. Das einzige, was nicht perfekt ist, ist, wie man es in großen Mengen zubereitet.

Technologie zur Herstellung von Graphen

Die Entstehung von Graphen hat in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine große Welle ausgelöst. Seit 2006 haben die Forschungsarbeiten dramatisch zugenommen. Als neues potenzielles Material für das "Post-Silizium-Zeitalter" zur Bildung von Transistoren und Schaltkreisen im Nanometerbereich wird auch die Forschung und Entwicklung von Graphen angewendet. Die Welt hat stark zugenommen. Die USA, Südkorea, China, Japan und andere Länder sind besonders aktiv in der Forschung.

Derzeit fördern viele große internationale Hersteller wie Dow Chemical, Samsung, IBM, Huawei und Apple aktiv die Industrialisierung von Graphen. Seit 2004 haben internationale Patentanmeldungen für Graphen mehrere tausend erreicht. Es wird hauptsächlich zur Herstellung von Graphen, für Anwendungen auf dem Gebiet der Energie, für Anwendungen in der Anzeigetechnologie, für Graphen-Nanomaterialien und für Graphen-Verbundwerkstoffe verwendet. Es gibt jedoch keinen Präzedenzfall für die Massenproduktion auf globaler Ebene. Dies liegt hauptsächlich daran, dass ein für die Massenproduktion geeignetes Verfahren und Verfahren noch nicht gefunden wurde. Dies ist auch der Grund, warum die Kosten für Graphen hoch geblieben sind.

Gegenwärtig gibt es fünf Hauptherstellungsverfahren für Graphen: mechanisches Strippen, Aufdampfen (CVD), thermische Zersetzung von SiC und Redox. Unter diesen ist die Dampfabscheidungsmethode der tatsächlichen Produktion am nächsten.

Mögliche Anwendungen von Graphen in der Automobilindustrie

Graphen ist eine Art zweidimensionales Kohlenstoffmaterial mit sehr hohem technischen Gehalt und großem Anwendungspotential. Es hat umfangreiche und sogar subversive Anwendungsaussichten in vielen Branchen. Die Automobilindustrie ist eine integrierte Industrie, die auf vielen Branchen basiert. Daher hat Graphen auch einen wichtigen Anwendungswert und Perspektiven für die Automobilindustrie.

1. Bei Lithium-Ionen-Batterien die Ladezeit erheblich verkürzen und die Batteriekapazität erhöhen

Gegenwärtig verwenden die von globalen Automobilherstellern verwendeten Leistungsbatterien hauptsächlich Lithiumbatterien, Lithium-Nickel-Kobaltaluminat-Batterien von Tesla, lithium-eisenphosphat-batterien von BYD und Lithium-Manganate von japanischen Automobilen.

Diese drei Batterietypen haben die höchste Energiedichte von Lithium-Kobalt-Säure-Batterien, sind jedoch auch bei hohen Temperaturen am instabilsten. lithiumeisenphosphatbatterien sind am stabilsten, aber die Energiedichte ist am niedrigsten. Die Lithium-Ionen-Batterietechnologie ist seit 20 Jahren ohne größere technologische Innovationen stumm. Das größte Hindernis besteht darin, dass Lithium-Ionen-Batterien eine begrenzte Leistungsdichte haben und ihre große Energiemenge nicht schnell empfangen oder freigesetzt werden kann (dh sie können keine schnelle Ladung und Freisetzung erreichen).

Graphen wird aufgrund seiner übergroßen Trägermobilität auf Lithium-Ionen-Batterien angewendet, wodurch die Ladezeit erheblich verkürzt werden kann. Und aufgrund seiner Stabilität kann die Stabilität des Batteriezyklus verbessert werden. Darüber hinaus kann die zusätzliche Oberfläche auch die Batteriekapazität erhöhen.

Die Tesla-aktualisierte Version des Modells S verwendet verbesserte Lithiumzellen. Die neu verbesserte Kapazität von 18650 Lithiumzellen wurde stark erhöht. Die Anzahl der Batterien in 6831 hat sich nicht erhöht, aber die Gesamtbatteriekapazität hat sich von 53 kWh auf 70 kWh erhöht. Tesla hat nicht bestätigt, ob Graphen hinzugefügt wurde, aber seine Leistung hat sich so stark verbessert, dass nur Graphen dies kann.

Die traditionellen Herstellungsländer von Lithiumbatterien sind Japan und Südkorea, und sie sind auch technologisch führend bei Graphenbatterien. Südkoreanische Wissenschaftler gaben im November 2014 bekannt, dass der neu erfundene Super-Handy-Akku aus Graphen dieselbe Leistung wie ein herkömmlicher Akku speichern kann, die Ladezeit jedoch nur 16 Sekunden beträgt. Forscher am Rensselaer Polytechnic Institute in den USA erwarten außerdem, dass sich Graphenanodenmaterialien zehnmal schneller laden oder entladen als Graphitanoden, die in heutigen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.

Anfang Dezember 2014 berichteten westliche Medien, dass die von der spanischen Firma Graphenano und der Universität von Corvado in Spanien entwickelte Graphenbatterie nur 1000 Minuten in nur 8 Minuten fahren kann. Wenn dieses Ergebnis zutrifft, besteht kein Zweifel daran, dass Elektrofahrzeuge das traditionelle Benzinauto vollständig untergraben und zur Hauptkraft des Autos werden.

2. Oberflächenschutzmaterialien

Graphen hat eine stabile Struktur, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, hohe Festigkeit und ist auf verschiedenen Metalloberflächen leicht zu züchten. Es kann in großem Umfang zum Oberflächenschutz von Metallmaterialien verwendet werden. Gleichzeitig kann es aufgrund seiner Leitfähigkeit und hohen Wärmeleitfähigkeit auch häufig zum Schutz und zur Antistatik organischer Materialien eingesetzt werden. Stellen Sie sich vor, Sie müssen sich keine Sorgen mehr machen, dass das Auto zerkratzt wird, wenn Sie die Oberfläche der Fahrzeugverkleidung mit Graphen beschichtet haben!

3. Ersetzen Sie Silizium durch integrierte Schaltkreise, um die Treiberfreiheit zu verbessern

Silizium hat uns in das elektronische Zeitalter gebracht. Polykristallines Silizium ist zum Grundrohstoff für die Halbleiterindustrie geworden und wurde als Substrat für integrierte Schaltkreise verwendet. Mit der Verbesserung der Prozesstechnologie hat die Betriebsgeschwindigkeit von Chips auf Siliziumbasis das GHz-Niveau erreicht. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie werden die Anforderungen an die Computergeschwindigkeit jedoch immer höher.

Chips auf Siliziumbasis sind jedoch durch die Leistung des Materials begrenzt, und es ist schwierig, die Verarbeitungsgeschwindigkeit nach Erreichen von 4 bis 5 GHz zu erhöhen, und es ist allmählich nicht gelungen, die Anforderungen der Menschen an die Geschwindigkeit zu erfüllen. Unter den vielen Alternativen zeichnet sich Graphen vor allem durch seine Superfestigkeit, ultrahohe Wärmeleitfähigkeit und Superleitfähigkeit aus.

Prozessoren, die unter Verwendung von Graphen als Matrix hergestellt werden, können THz (das sind 1000 GHz) erreichen. IBM hat 2010 einen ultraschnellen Graphen-Transistor entwickelt. Seine maximale Frequenz kann 230 GHz erreichen und weit über dem aktuellen Transistor auf Siliziumbasis liegen. Laufgeschwindigkeit. IBM kündigte im Juli 2014 an, weitere 3 Milliarden US-Dollar in die Entwicklung der Carbon-Chip-Technologie einschließlich Graphen zu investieren. Graphen wird wahrscheinlich in Zukunft Silizium als Grundmaterial für die Halbleiterindustrie ersetzen.

Unbemannte Technologie ist auf dem Vormarsch. Es erfordert super und ultraschnelle Rechenleistung. Datenspeicherungs- und -verarbeitungssysteme stellen sehr hohe Anforderungen an integrierte Schaltkreise. Bestehende Chips auf Siliziumbasis können ihre Anforderungen nur schwer vollständig erfüllen. Die Entwicklung und Anwendung von Graphen-Kohlenstoff-Chips wird diesen technischen Engpass beheben und eine starke Computerunterstützung bieten.

4. Auf Superkondensatoren auftragen, perfekte Beschleunigung

Superkondensatoren sind ein neuartiger energiespeicher. Im Vergleich zu wiederaufladbaren Batterien können sie unbegrenzt Strom laden, sodass die Lade- und Entladerate sehr schnell ist. Sie können den Lade- und Entladevorgang innerhalb weniger Sekunden abschließen und haben eine hohe Leistung und eine lange Lebensdauer. Eigenschaften. Die Kombination von Superkondensator und Lithium-Ionen-Batterie kann das Problem der langsamen Beschleunigung von Elektrofahrzeugen effektiv lösen.

Aufgrund der großen Oberfläche von Graphen hat der Superkondensator mit Graphen als Elektrode eine ultrahohe Kapazität, die Hunderte von F / g erreichen kann, was viel höher ist als der Superkondensator mit anderen Materialien als Elektrode. und ist besser als Kraftzelle geeignet. Energiequelle.

5. Herstellung hocheffizienter Solarzellen und Faltdisplays anstelle von ITO

Am 2. Juli dieses Jahres kündigte Hanergy vier Konzeptautos an, die Solarenergie als Stromquelle nutzen. Wenn eines Tages eine Idee im Automobilbereich beworben werden kann, ist es denkbar, dass die Nachfrage nach Solarzellen in der Automobilindustrie erheblich steigen wird. Derzeit ist das transparente leitfähige Material, das in Solarzellen, Displays und Touchscreens verwendet wird, hauptsächlich Indiumzinnoxid (ITO). Aufgrund der Tatsache, dass die Durchlässigkeit von ITO für Infrarotlicht tatsächlich relativ gering ist, ist die Nutzungseffizienz von Solarzellen für Solarenergie immer noch relativ gering. Darüber hinaus ist die Zähigkeit von ITO-Materialien schlecht, was den Anzeigeeffekt beim Falten oder Dehnen beeinträchtigen kann.

Graphen hat aufgrund seiner speziellen Struktur eine sehr hohe Leitfähigkeit. Gleichzeitig ist es fast transparent. Die Lichtdurchlässigkeit ist für alle Bänder extrem hoch. Es ist ein ausgezeichnetes transparentes leitfähiges Material und wird daher allgemein als Ersatz für ITO angesehen.

Im Bereich Solarzellen ist Japans Fuji Electric führend in der Entwicklung. Die resultierende Graphenschicht hat eine um ein Vielfaches höhere Leitfähigkeit als ITO und kann sicherstellen, dass 90% der optischen Transmission ein Niveau erreicht haben, das die Leistungsziele vollständig erfüllen kann. Im Bereich von Displays und Touchscreens weist Graphen eine höhere Festigkeit und Zähigkeit auf als die derzeit gängigen ITO-Materialien. Als transparentes leitfähiges Material kann es zu einer flexiblen Anzeigevorrichtung verarbeitet werden.

6. Graphen-Aerogel zur Abluftreinigung, katalytischer Träger

Die Reinigung von Innen- und Abluft war schon immer ein wichtiges Thema im Bereich des Umweltschutzes von Kraftfahrzeugen. Im Jahr 2013 produzierte Professor Gao Chao vom Polymer Science Department der Zhejiang University das leichteste Material der Welt, das ultraleichte Graphen-Aerogel, mit einer Materialdichte von nur 0,16 mg / cm3. Dieses Material hat einen einfachen Herstellungsprozess und eine hervorragende Leistung. Es hat eine hohe Elastizität und kann nach einer Kompression von 80% wieder in seinen ursprünglichen Zustand versetzt werden. Gleichzeitig hat es eine ultraschnelle und ultrahohe Adsorptionskapazität und ist das Material mit der bislang stärksten Ölabsorptionskapazität. Es kann in großem Umfang in der Luftreinigung, im katalytischen Träger und in anderen Bereichen eingesetzt werden und ist von großer Bedeutung für die Luftreinigung in Innenräumen und die katalytische Reduktion von Abgas.

Zusammenfassung: Der lange Weg in die Zukunft, gespannt auf die Zukunft in der Hektik

Das Graphen, das durch Entfernen des mechanischen Abstreifverfahrens aus anderen Verfahren erhalten wird, kann keine gleichbleibende Qualität erreichen, und das mechanische Abstreifverfahren ist äußerst ineffizient. Daher können sich die vorhandenen synthetischen Technologien nicht an industrielle Anwendungen anpassen. Es sind auch die Einschränkungen des Herstellungsprozesses, die dazu führen, dass die Graphenpreise immer noch relativ teuer sind. Alle Anwendungen für Graphen sind noch Laborforschungsstadien. Bei Graphenanwendungen können die Kosten bis zur Reife des Herstellungsprozesses auf ein kommerzialisierbares Maß gesenkt werden, und die praktische Anwendung und Industrialisierung kann als langer Weg beschrieben werden.

Angesichts der hervorragenden Leistung und der enormen Anwendungsaussichten von Graphen haben Regierungen und Unternehmen viel Personal, materielle und finanzielle Ressourcen in die Erforschung von Graphen investiert. Vielleicht, um ständige Aufmerksamkeit und Investitionen zu erregen, behaupten Unternehmen oft, sie hätten sehr leistungsfähige Graphenprodukte hergestellt, was nach Ansicht des Autors nur ein echtes Treiben ist.

Unter diesen Turbulenzen und enormen Investitionen hat die Graphenforschung jedoch tatsächlich viele gute Ergebnisse erzielt. Der Preis für Graphen ist langsam gesunken, und nach und nach wurde größeres Graphen höherer Qualität entwickelt. Nachgelagerte Industrieketten versuchen ebenfalls allmählich, Graphen zu verwenden.

In Bezug auf die technische Reife und die Dringlichkeit der Nachfrage spielt die Anwendung auf Lithium-Ionen-Batterien zur Verbesserung der Lade- und Entladeeffizienz, der Batteriekapazität und der Batteriestabilität offensichtlich eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Automobilen, insbesondere Elektrofahrzeugen. Damit Elektroautos zum Mainstream werden, ist Graphen von entscheidender Bedeutung. Wenn fahrerlose und solarbetriebene Autos berücksichtigt werden, wird Graphen zweifellos einen größeren Anwendungsbereich in der Automobilindustrie haben.

Natürlich sind die Aussichten groß, aber die Realität ist kaltblütig. Aufgrund des unreifen Herstellungsprozesses und der unvollständigen Öffnung der nachgeschalteten Industriekette hat Graphen noch keine großtechnische Anwendung, und es kann einige Zeit dauern, bis sich dieser Status quo ändert. Es wird angenommen, dass mit der Vertiefung der Forschung die Singularität von Graphen sicherlich eines Tages eintreten wird, wenn viele Industrien erderschütternde Veränderungen und sogar Subversion erfahren werden.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.