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解密石墨烯:科学制备——引领新能源革命

恒盈新能源2018-11-09 08:59:15


“锂离子电池”名称的由来

SONY在1991年将18650锂离子电池投放市场的时候,考虑到经典命名法太过复杂一般人记不住,并且充放电过程是通过锂离子的迁移来实现的,体系中并不含金属锂,因此就称为“Lithium ion battery”,后来“锂离子电池”这个名称被全世界广泛接受。



一、微机械剥离法:

        石墨烯首先由微机械剥离法制得。微机械剥离法即是用透明胶带将高定向热解石墨片按压到其他表面上进行多次剥离,最终得到单层或数层的石墨烯。2004年,Geim ,Novoselov等就是利用3M的胶带手工制备出世界首例单层石墨烯,证明了二维晶体结构在常温下是可以存在的。

        微机械剥离方法操作简单、制作样本质量高,是当前制取单层高品质石墨烯的主要方法。但其可控性较差,制得的石墨烯尺寸较小且存在很大的不确定性,同时效率低,成本高,显然并不具备工业化大规模生产的可能性。


二、SiC外延生长法:

  外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。

1、碳化硅外延生长法是指在高温下加热SiC单晶体,使得SiC表面的Si原子被蒸发而脱离表面,剩下的C原子通过自组形式重构,从而得到基于SiC衬底的石墨烯。

 

2、金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面,通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。气体在吸附过程中可以长满整个金属基底,并且其生长过程为一个自限过程,即基底吸附气体后不会重复吸收,因此,所制备出的石墨烯多为单层,且可以大面积地制备出均匀的石墨烯。


三、化学气相沉淀CVD法:最具潜力的大规模生产方法:

        CVD法被认为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯,是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法。化学气相沉淀CVD法具体过程是:将碳氢化合物甲烷、乙醇等通入到高温加热的金属基底Cu、Ni表面,反应持续一定时间后进行冷却,冷却过程中在基底表面便会形成数层或单层石墨烯,此过程中包含碳原子在基底上溶解及扩散生长两部分。该方法与金属催化外延生长法类似,其优点是可以在更低的温度下进行,从而可以降低制备过程中能量的消耗量,并且石墨烯与基底可以通过化学腐蚀金属方法容易地分离,有利于后续对石墨烯进行加工处理。

        三星用这种方法获得了对角长度为30英寸的单层石墨烯,显示出这种方法作为产业化生产方法的巨大潜力。CVD法的优点在于可以生成大面积、高质量、均匀性好的石墨烯薄膜,但缺点是所制备出的石墨烯厚度难以控制,成本高工艺复杂存在转移的难题。


四、氧化石墨还原法:

        氧化石墨还原法也被认为是目前制备石墨烯的最佳方法之一。该方法操作简单、制备成本低,可以大规模地制备出石墨烯,已成为石墨烯制备的有效途径。另外该方法还有一个优点,就是可以先生产出同样具有广泛应用前景的功能化石墨烯--氧化石墨烯。其具体操作过程是先用强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等将石墨氧化成氧化石墨,氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官能团,从而加大了石墨层间距,然后经超声处理一段时间之后,就可形成单层或数层氧化石墨烯,再用强还原剂水合肼、硼氢化钠等将氧化石墨烯还原成石墨烯。



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其他制备石墨烯的方法还有碳纳米管切割法、石墨插层法、离子注入法、高温高压HPHT生长法、爆炸法以及有机合成法等。制备大面积、高质量的石墨烯仍然是一个较大的挑战。




新能源石墨烯应用范围:

【1】电子消费类:

充电宝、对讲机、定位器、助听器、电脑、手表、智能手机、电视机、影碟机、录像机、摄录机、收音机、电唱机、激光唱机(CD)、数码相机、音箱、遥控电子锁、验钞机、计算器、智能电视盒、电动剃须刀、电吹风、电动按摩器、火报警器、电铃、电子点火器、电动牙刷、按摩器、电推剪、煤气灶、家用水泵、石英电子钟、保健枕、电子针灸器、生理信息治疗仪、电子起搏器、脉冲治疗器、电子凉枕、电子灭蚊器、捶骨器、电磁按摩器等。

【2】工业类:

汽车能源电池、电动车电池、自行车电池、光伏发电、风力发电、办公移动电源、无人机、机器人、户外移动电源、监控、交通信号指示、测速、摄像、远程监控、wifi、GPS定位、应急救援、郊外工程施工用电、警用、消防、医院、银行、低压变频器、高压变频器、电机、低压电器 、手电钻、冲击钻、电镐、热风枪 、叉车、堆高车、搬运车、平台车、吊具、测电笔、推拉力计、断路器、变压器、接触器、热继电器、电动机综合保护器、中间继电器,时间继电器、过流继电器、变频器、软启动器、电阻、频敏变阻器、熔断器、框架断路器、浪涌吸收器、真空断路器、UPS、EPS、直流屏、电容器、电抗器、行程开关、光电开关、液位开关、拉绳开关、电度表、电压表、电流表、电笛、电铃、频率表、多功能表、无功功率表、功率因素表、电位器、事故报警器、高低压开关柜、照明配电箱、配电箱、操作箱、PLC、DCS、工控机等。



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