Un artículo que lee el grafeno en su totalidad.

Siempre que hay una noticia revolucionaria sobre el grafeno, siempre causa un frenesí en la industria, especialmente en el campo de las baterías. En este punto, debemos calmarnos y saber qué es el grafeno, qué puede hacer y cuál es el mayor problema al que se enfrenta actualmente.

El grafeno es un cristal bidimensional compuesto por átomos de carbono muy compactos. El profesor André Heim y el profesor Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester tomaron la iniciativa en 2004 a través de un método simple. Se obtuvo una sola capa de grafeno quitando el grafito. Entre los materiales bidimensionales que se obtienen actualmente, el grafeno tiene el espesor más delgado y la mayor superficie específica, y es el material con mayor resistencia, mejor tenacidad, menor peso, mayor transmitancia y mejor conductividad. Es debido a estas excelentes propiedades físicas y las grandes perspectivas de aplicación que los fundadores del grafeno ganaron el Premio Nobel de Física en 2010.

Debido a la estructura especial del grafeno, también exhibe propiedades especiales que muchos otros materiales no tienen.

1. Excelente conductividad: los electrones portadores y los agujeros en el grafeno son continuos y la movilidad puede alcanzar 1 &; Veces; 105cm2 / Vs, los electrones se transmiten a una velocidad de 1/300 de la velocidad de la luz, lo que excede en gran medida la velocidad de conducción en los conductores y semiconductores metálicos en general, y por lo tanto tiene una conductividad excelente.

2. Permeabilidad a la luz ultra alta: el grafeno monocapa tiene una absorción de luz de solo el 2,3% en un rango de longitud de onda muy amplio, es decir, el grafeno monocapa tiene una permeabilidad a la luz del 97,7%, que es mucho más alta que el 85% del estándar internacional para películas conductoras transparentes.

3. Resistencia ultra alta: se descubrió que el grafeno es el material con el módulo elástico y la resistencia más altos después de los nanotubos de carbono. Su fuerza es 100 veces mayor que la del mejor acero del mundo. Su dureza es superior a la del diamante de material más duro de la naturaleza. Al mismo tiempo, tiene una excelente flexibilidad y puede doblarse a voluntad.

4. Conductividad térmica ultra alta: similar al grafito, el diamante y los nanotubos de carbono, el grafeno también tiene una conductividad térmica muy alta. El grafeno de una sola capa en estado libre tiene una conductividad térmica de 5000W / mK a temperatura ambiente, que se conoce actualmente. El material con mayor conductividad térmica.

5. Área de superficie específica sobredimensionada: Dado que el grafeno tiene solo un átomo de carbono de espesor, el grafeno de una sola capa tiene una superficie específica sobredimensionada que puede alcanzar 2630m2 / g, que es mucho mayor que el área de superficie específica del carbón activado ordinario.

Si observa solo estas propiedades, el grafeno es perfecto. Lo único que no es perfecto es cómo prepararlo en grandes cantidades.

Tecnología de preparación de grafeno

La aparición del grafeno ha provocado una gran ola en la comunidad científica. Desde 2006, los trabajos de investigación han aumentado de forma espectacular. Como nuevo material potencial para la "era posterior al silicio" para formar transistores y circuitos de tamaño nanométrico, también se aplica la investigación y el desarrollo del grafeno. Ha habido un fuerte aumento en el mundo. Estados Unidos, Corea del Sur, China, Japón y otros países son particularmente activos en la investigación.

En la actualidad, muchos de los principales fabricantes internacionales como Dow Chemical, Samsung, IBM, Huawei y Apple están promoviendo activamente la industrialización del grafeno. Desde 2004, las solicitudes de patentes internacionales para el grafeno han alcanzado varios miles. Se utiliza principalmente en la preparación de grafeno, aplicaciones en el campo de la energía, aplicaciones en tecnología de visualización, nanomateriales de grafeno y compuestos de grafeno. Sin embargo, no hay precedentes de producción en masa a escala mundial. Esto se debe principalmente al hecho de que aún no se ha encontrado un método y un método adecuados para la producción en masa. Esta es también la razón por la que el costo del grafeno se ha mantenido alto.

En la actualidad, existen cinco métodos principales de fabricación de grafeno: deposición mecánica, deposición de vapor (CVD), descomposición térmica de SiC y Redox. Entre ellos, el más cercano a la producción real es el método de deposición de vapor.

Posibles aplicaciones del grafeno en la industria automotriz

El grafeno es un tipo de material de carbono bidimensional con un contenido técnico muy alto y un amplio potencial de aplicación. Tiene perspectivas de aplicación amplias e incluso subversivas en muchas industrias. La industria automotriz es una industria integrada basada en muchas industrias, por lo que el grafeno también tiene un valor de aplicación importante y perspectivas para la industria automotriz.

1. Aplicado a baterías de iones de litio, acorta en gran medida el tiempo de carga y aumenta la capacidad de la batería

En la actualidad, las baterías de energía utilizadas por los fabricantes mundiales de automóviles utilizan principalmente baterías de litio, baterías de aluminato de cobalto y níquel de litio representadas por Tesla, baterías de fosfato de hierro y litio representadas por BYD y manganatos de litio representados por automóviles japoneses.

Estos tres tipos de baterías tienen la densidad de energía más alta de las baterías de ácido de cobalto de litio, pero también es el más inestable a altas temperaturas; Las baterías de fosfato de hierro y litio son las más estables, pero la densidad de energía es la más baja. La tecnología de baterías de iones de litio ha sido silenciosa durante 20 años sin grandes innovaciones tecnológicas. El mayor obstáculo es que las baterías de iones de litio tienen una densidad de potencia limitada y su gran cantidad de energía no se puede recibir ni liberar rápidamente (es decir, no pueden lograr una carga y liberación rápidas).

El grafeno se aplica a las baterías de iones de litio debido a su movilidad de portadora sobredimensionada, que puede reducir significativamente el tiempo de carga; Y debido a su estabilidad, se puede mejorar la estabilidad del ciclo de la batería. Además, el área de superficie adicional también puede aumentar la capacidad de la batería.

La versión mejorada de Tesla del Model S utiliza celdas de litio mejoradas. La capacidad de la celda de litio 18650 recientemente mejorada se ha incrementado considerablemente. El número de baterías en 6831 no ha aumentado, pero la capacidad total de la batería ha aumentado de 53kWh a 70kWh. Tesla no confirmó si se agregó grafeno, pero su rendimiento ha mejorado tanto que solo el grafeno puede hacerlo.

Los países fabricantes tradicionales de baterías de litio son Japón y Corea del Sur, y también están liderando la tecnología de las baterías de grafeno. Los científicos surcoreanos anunciaron en noviembre de 2014 que la súper batería de grafeno para teléfonos móviles recientemente inventada puede almacenar la misma cantidad de energía que una batería convencional, pero el tiempo de carga es de solo 16 segundos. Los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer en los Estados Unidos también esperan que los materiales del ánodo de grafeno se carguen o descarguen 10 veces más rápido que los ánodos de grafito que se usan en las baterías de iones de litio actuales.

A principios de diciembre de 2014, medios occidentales informaron que la batería de grafeno desarrollada por la empresa española Graphenano y la Universidad de Corvado en España, solo puede viajar 1000 minutos en solo 8 minutos. Si este resultado es cierto, entonces no hay duda de que los vehículos eléctricos subvertirán por completo el tradicional automóvil de gasolina y se convertirán en la fuerza principal del automóvil.

2. Materiales de protección de superficies

El grafeno tiene una estructura estable, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación, alta resistencia y fácil de cultivar en varias superficies metálicas. Puede ser ampliamente utilizado para la protección de superficies de materiales metálicos. Al mismo tiempo, debido a su conductividad y alta conductividad térmica, también puede ser ampliamente utilizado en la protección y antiestático de materiales orgánicos. Imagínese si cubriera la superficie del panel del automóvil con grafeno, ¡ya no tendrá que preocuparse de que el automóvil se raye!

3. Reemplace el silicio por circuitos integrados para ayudar a los usuarios sin conductor

El silicio nos ha traído a la era electrónica. El silicio policristalino se ha convertido en la materia prima básica para la industria de los semiconductores y se ha utilizado como sustrato para circuitos integrados. Con la mejora de la tecnología de procesos, la velocidad de funcionamiento de los chips basados en silicio ha alcanzado el nivel de GHz. Sin embargo, con el avance continuo de la tecnología, los requisitos de velocidad de la computadora son cada vez más altos.

Sin embargo, los chips basados en silicio están limitados por el propio rendimiento del material, y es difícil aumentar la velocidad de procesamiento después de alcanzar los 4-5 GHz, y gradualmente no ha cumplido con los requisitos de velocidad de las personas. Entre las muchas alternativas, el grafeno es más notable por su superresistencia, conductividad térmica ultra alta y superconductividad.

Los procesadores producidos utilizando grafeno como matriz pueden alcanzar THz (es decir, 1000 GHz). IBM ha desarrollado un transistor de grafeno ultrarrápido en 2010. Su frecuencia máxima puede alcanzar los 230 GHz, superando con creces el actual transistor basado en silicio. Velocidad de ejecución. IBM anunció en julio de 2014 que invertirá otros 3.000 millones de dólares estadounidenses en el desarrollo de tecnología de chips de carbono, incluido el grafeno. Es probable que el grafeno reemplace al silicio en el futuro como material básico para la industria de los semiconductores.

La tecnología no tripulada está en ascenso. Requiere potencia de cálculo súper y ultrarrápida. Los sistemas de almacenamiento y procesamiento de datos requieren requisitos muy altos para los circuitos integrados. Los chips de silicio existentes son difíciles de satisfacer por completo sus necesidades. El desarrollo y la aplicación de chips de grafeno y carbono resolverán este cuello de botella técnico y proporcionarán un sólido soporte informático.

4. Aplicar a supercondensadores, aceleración perfecta.

Los supercondensadores son un nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía. En comparación con las baterías recargables, pueden realizar una carga de corriente ilimitada, por lo que la velocidad de carga y descarga es muy rápida. Pueden completar el proceso de carga y descarga en unos pocos segundos, y tienen una alta potencia y una larga vida útil. Características. La combinación de supercondensador y batería de iones de litio puede resolver eficazmente el problema de la lenta aceleración de los vehículos eléctricos.

Debido a la gran superficie del grafeno, el supercondensador con grafeno como electrodo tiene una capacidad ultra alta, que puede alcanzar cientos de F / g, que es mucho más alta que el supercondensador con otros materiales como electrodo, y es más adecuado como pila de energía. Fuente de alimentación.

5. Preparación de celdas solares ultraeficientes y pantallas plegables en lugar de ITO

El 2 de julio de este año, Hanergy anunció cuatro prototipos que utilizan energía solar como fuente de energía. Si una idea puede promoverse en el campo de la automoción algún día, es concebible que la demanda de células solares en la industria de la automoción aumente significativamente. En la actualidad, el material conductor transparente utilizado en células solares, pantallas y pantallas táctiles es principalmente óxido de indio y estaño (ITO). Sin embargo, debido al hecho de que la transmitancia de ITO a la luz infrarroja es en realidad relativamente baja, la eficiencia de utilización de las células solares para energía solar es todavía relativamente baja. Además, la dureza de los materiales ITO es pobre, lo que puede afectar el efecto de visualización cuando se pliegan o se estiran.

El grafeno tiene una conductividad muy alta debido a su estructura especial. Al mismo tiempo, es casi transparente. La tasa de transmisión de luz es extremadamente alta para todas las bandas. Es un material conductor transparente ultra excelente, por lo que se considera que reemplaza al ITO.

En el campo de las células solares, la japonesa Fuji Electric lidera el desarrollo. La lámina de grafeno resultante tiene una conductividad varias veces superior a la de ITO y puede garantizar que el 90% de la transmisión óptica haya alcanzado un nivel que pueda cumplir plenamente los objetivos de rendimiento. En el campo de las pantallas y las pantallas táctiles, el grafeno tiene mayor resistencia y mejor tenacidad que los materiales de ITO convencionales actuales. Como material conductor transparente, se puede convertir en un dispositivo de visualización flexible.

6. Aerogel de grafeno para la purificación del aire de escape, portador catalítico

La purificación del aire interior y de escape siempre ha sido un tema importante en el campo de la protección ambiental automotriz. En 2013, el profesor Gao Chao del Departamento de Ciencia de Polímeros de la Universidad de Zhejiang produjo el material más ligero del mundo, el aerogel ultraligero de grafeno, con una densidad de material de solo 0,16 mg / cm3. Este material tiene un proceso de preparación sencillo y un excelente rendimiento. Tiene una alta elasticidad y se puede restaurar a su estado original después de haber sido comprimido en un 80%. Al mismo tiempo, tiene una capacidad de adsorción ultrarrápida y ultra alta, y es el material con la capacidad de absorción de aceite más fuerte hasta ahora. Puede ser ampliamente utilizado en la purificación de aire, portadores catalíticos y otros campos, y es de gran importancia para la purificación del aire interior y la reducción catalítica de los gases de escape.

Resumen: El largo camino por recorrer, mirando hacia el futuro en el ajetreo y el bullicio

El grafeno obtenido al eliminar el método de decapado mecánico de otros procesos no puede lograr una calidad constante y el método de decapado mecánico es extremadamente ineficaz. Por tanto, las tecnologías sintéticas existentes no pueden adaptarse a las aplicaciones industriales. También son las limitaciones del proceso de preparación las que hacen que los precios del grafeno sigan siendo relativamente caros. Todas las aplicaciones del grafeno todavía son etapas de investigación de laboratorio. Para las aplicaciones del grafeno, hasta que el proceso de preparación esté maduro, su costo se puede reducir a un nivel que se pueda comercializar, y su aplicación práctica e industrialización puede describirse como un largo camino.

En vista del excelente rendimiento y las enormes perspectivas de aplicación del grafeno, los gobiernos y las empresas han invertido una gran cantidad de mano de obra, recursos materiales y recursos financieros para realizar investigaciones sobre el grafeno. Quizás para atraer la atención y la inversión constantes, las empresas a menudo afirman que han fabricado productos de grafeno muy potentes, lo que, en opinión del autor, es solo un verdadero ajetreo.

Sin embargo, también es bajo esta confusión y gran inversión que la investigación del grafeno ha logrado muchos buenos resultados. El precio del grafeno ha disminuido lentamente y se ha desarrollado gradualmente un grafeno más grande y de mayor calidad. Las cadenas industriales posteriores también están intentando gradualmente utilizar grafeno.

En términos de madurez técnica y urgencia de la demanda, su aplicación a las baterías de iones de litio para mejorar la eficiencia de carga y descarga de la batería, la capacidad de la batería y la estabilidad de la batería obviamente juega un papel decisivo en el desarrollo de los automóviles, especialmente los vehículos eléctricos. Para que los coches eléctricos se conviertan en algo habitual, el grafeno es fundamental. Si se tienen en cuenta los automóviles sin conductor y con energía solar, el grafeno sin duda tendrá un espacio de aplicación más amplio en la industria automotriz.

Por supuesto, las perspectivas son enormes, pero la realidad es a sangre fría. Debido al proceso de preparación inmaduro y la apertura incompleta de la cadena industrial posterior, el grafeno todavía no tiene una aplicación a gran escala, y puede llevar algún tiempo cambiar este status quo. Se cree que con la profundización de la investigación, la singularidad del grafeno seguramente llegará algún día, cuando muchas industrias sufrirán cambios trascendentales e incluso subversión.

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