详解石墨烯及其在汽车领域的应用

何为石墨烯？

石墨烯是一种由碳原子经大π键连接的蜂窝状二维碳片层新材料，属于C的一种同素异形体。2004年由曼彻斯特大康斯坦丁·诺沃肖洛夫 （Kostya Novoselov）和安德烈·海姆 （Andre Geim）通过胶带对石墨进行不断地机械剥离而发现。石墨烯结构中每个碳原子贡献一个未成键的电子，通过SP2杂化与周围的碳原子构成正六边形，结构稳定，具有较为完美的二维晶体结构。是世上已知厚度最薄、强度最高、电阻率最小的新型材料。

石墨烯材料分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯（3-10层）和多层石墨烯（10层以上）。石墨烯一般以层状形式存在，将石墨烯经某种形式变形，形成球状、管状和多片层状，这就演变成我们已知的富勒烯（C60）、碳纳米管和石墨。

石墨烯的性能特点

1.最薄的材料（高透光性）：单层石墨烯的厚度只有一个碳原子，约为头发丝直径的二十万分之一。因此，单层石墨烯几乎是透明的，肉眼不可见，其透光率高达97.7%。

2.最坚硬的材料（高强度和模量）：其抗拉强度和弹性模量分别可达125GPa和1.1TPa。将钢材强度以石墨烯厚度推算，理想的石墨烯材料强度约为钢的100倍。硬度也较好，比金刚石还要硬。同时，其还具有较好的柔韧性，可随意弯曲。在力学性能方面，石墨烯材料实现了高强度、高硬度和柔韧性的完美统一。

3.最导电的材料（低电阻率）：石墨烯中每个碳原子均为SP2杂化，并贡献一个P轨道电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。电子在石墨烯中传输不易发生散射，迁移率可达2×105cm2/（V·s），约为硅中电子迁移率的140倍。

4.最导热的材料（高热传导率）：单层石墨烯的热传导率高达5300W/m·k，而工业界中广泛使用的散热金属材料铜的热传导率只有400Wm·k。但随着石墨烯层数的增加，其热传导率逐渐下降。

石墨烯的生产方式

石墨烯的上产方式有许多，可大致分为物理法和化学法两大类。物理法一般为机械剥离法，是石墨烯最初被发现时采用的原始方法。但这种方式无法实现量产，后面又出现一系列化学法。化学法一般包括气相沉积法（CVD）、外延生长法和氧化还原法。

1.机械剥离法：最原始的合成方法，用胶带黏住石墨片的两侧面反复剥离，获得石墨烯。此方法虽然简单，制得的石墨烯却在几微米至几十微米。

2.化学气相沉积法：将有机气体吸附于具有催化活性的金属或非金属表面，加热有机气体脱氢在基底表面形成石墨烯。

3.外延生长法：在SiC晶体结构上通过晶格匹配生长出石墨烯晶体的一种方法。其原理是通过超低压高真空、高温加热单晶SiC，脱除Si后碳原子重构生成石墨烯片层。

4.氧化还原法：将石墨进行氧化处理，改变石墨层片的自由电子对，对其表面含氧官能团进行修饰，增强石墨的亲水性。然后将氧化石墨在水中剥离，形成均匀稳定的氧化石墨烯胶体。最后运用化学还原、热还原和催化还原等方法将氧化石墨还原成石墨烯。

4石墨烯各生产方式优缺点对比：

5石墨烯主要供应商

近几年，石墨烯产业发展全球瞩目，但总体应用量较小，市场规模化需求还有待形成。目前石墨烯的大部分应用仍然停留在实验室阶段，虽然在实验室里的效果很好，但如果进行规模化生产，产品的稳定性尚待观察，石墨烯下游产品应用也没有得到普及。 以下是国内外一些石墨烯生产研发机构及其供应的下游产品：

汽车领域石墨烯技术的开发与应用情况

1.汽车轻量化材料

石墨烯材料的强度是钢的100倍，具有较高的强度和硬度，但其密度较低，质量较轻，是理想的汽车轻量化材料。将石墨烯作为增强相开发的轻质复合材料可用作汽车车身材料。日前，利物浦Briggs汽车公司在其品牌产品BACMONO单座跑车的车身中就使用了石墨烯材料，该跑车也已通过道路测试。

2.汽车用高耐磨材料

石墨烯复合材料除了作为车身材料，在汽车零部件领域也可以得到应用。比如，汽车轮胎。将石墨烯材料加入到汽车轮胎中可使得轮胎更加耐磨、防穿刺，而且能大大提高使用寿命。四川大学高分子材料工程国家重点实验室，已经自主研发出世界首个石墨烯橡胶轮胎。在国家总理李克强赴四川考察期间，这只轮胎还受到了总理的“接见”。

3. 高导热复合材料

石墨烯的热传导率高达5300W/m·k，将其与导热性高聚物复合可制成强度高、导电导热性好、质量轻的优质复合材料。石墨烯的超二维纳米结构可以保证热量在加热区域内的均匀释放，可用于汽车加热座椅材料。

4 汽车防腐涂装材料

石墨烯具有较高的化学稳定性，表面疏水，耐酸碱化学腐蚀。有研究将石墨烯喷涂于钢表面，浸泡于海水中可以保持一个月不生锈，而普通高性能涂料仅能维持几天时间。因为石墨烯的高疏水性以及独特的纳米结构，可以将其运用于车用涂料领域，提高防腐效果。

5. 车用导电功能性材料

在汽车燃油供给系统中，以快速紊流方式流动的燃油能产生静电，用于燃油供给系统的部件（包括油箱，油管接头，过滤器等）需要其导电率能阻制静电堆积，消除火花、爆炸等危险。目前，以碳纳米管作为添加剂的导电塑料已成功应用于汽车燃油供给系统。石墨烯具备与碳纳米管相媲美的导电性能，且制备成本更低，完全可以用于导电功能塑料领域。基于石墨烯的导电功能塑料还可以运用于汽车挡泥板、门把手、镜盒等方面，方便车身的静电喷涂，省去了相对于非导电性塑料在静电喷涂前需要进行的表面导电化处理。

6. 电动汽车储能材料

动力电池是新能源汽车的心脏。尽管目前国家大力推广电动汽车，但是续航里程短、充电时间长等短板，依旧阻碍着电动汽车的市场化。目前，作为电源的储能装置主要有锂离子动力电池、超级电容器和燃料电池，三者均要求其电极材料具备大的比表面积、高的导电性和良好的电化学稳定性，这为石墨烯提供了广泛的运用空间。

（1）锂电池电极材料

石墨烯在锂电池上主要有三种应用：

• 在正负极材料中作为导电添加剂；
• 在铜箔或铝箔中作为功能涂层；
• 在负极材料中作为电极材料。

在应用如Si、Sn等材料作为电池负极时，有一个很大的障碍就是充放电过程中体积膨胀率很高（可高达400%），从而导致电极粉碎或者电池容量快速衰减。用石墨烯包覆这些纳米材料可以良好地解决体积膨胀问题。下图展示了石墨烯作为锂电极材料的几种应用：

（2）超级电容器

超级电容器是一种新型储能装置，与充电电池相比，可进行不限流充电，因而充放电速率非常快，可以在几秒内完成充放电过程，同时具有功率高，使用寿命长等特点。石墨烯分散后具有非常大的储能活性，这是因为石墨烯具有高达2 630 m2 /g 的理论比表面积，因此石墨烯复合材料可用于超级电容器领域。

（3）燃料电池

在低温燃料电池使用中，无论是阳极的氧化反应还是阴极的还原反应，都需要Pt、Pd等贵金属作为催化剂，大大增加了燃料电池的成本。将贵金属搭载在石墨烯上，一方面，石墨烯中的大π键与金属间的相互作用可有效阻止金属粒子的迁移、聚集，提高催化剂的稳定性。另一方面，石墨烯良好的导电性也可以降低电池内阻，提高导电性能。

编后：

石墨烯在许多方面都具有其他材料无法比拟的优异性能，从理论上说，石墨烯的这些产业应用都可以合理存在。但作为一种晶体结构特殊的碳物质，石墨烯表面疏水且缺少活性基团，没有可利用的活性化学键，与其他物质的相容性差。这些都给石墨烯在材料领域的应用造成阻碍。如何解决这些难题，石墨烯的产业化应用研究任重而道远。