为什么石墨烯应该在电力传输应用中取代铜

作者：利亚姆 ·克里奇利（Liam Critchley）（化学和纳米技术作家）

随着世界向新能源和可再生能源过渡，如何将这些新能源连接到电网，然后再连接到消费者的讨论变得更加紧迫，而铜的局限性正成为该讨论的核心。

两个多世纪以来，铜一直是电力传输的“首选”材料，因为它具有相对较高的导电率和稳定性。然而，红色金属不具有很好的导热性，无法在运行过程中散热。任何把手放在线圈上的人都知道，线圈很热，因为电阻会浪费能量来加热。此外，铜矿开采对环境也有害。 此外，铜质量重，价格日益昂贵，其供应将面临满足需求的挑战，预计到 2035 年，每年需求量将翻一番，达到 5000 万吨以上。这一预计年消耗量超过 1900 年至 2021 年间世界上消耗的所有铜。

尽管面临这些艰巨的挑战，可再生能源基础设施计划仍然依赖越来越多的铜。例如，升级全球电网和建设电动汽车 (EV) 充电基础设施将需要数百万英尺的铜线。需要数十万吨额外的铜来建造输电线路，将风能和太阳能发电场连接到电网。电动涡轮机和电机线圈所需的额外铜将是另一篇文章的主题，但作为一个例子，海上风力涡轮机每兆瓦发电量含有 8 吨铜。普通电动汽车的电池连接和电动机所需的铜量是内燃机汽车的两倍半。

来源：国家可再生能源实验室| 2035 年地图基于 NREL 2035 年 100% 清洁电力研究中的“所有选项”路径。两张地图都显示了公用事业规模的可再生能源项目，但不包括屋顶太阳能等分布式装置。

铜可能无法发挥新能源和可再生能源的潜力

如果输电网在极端高温下继续停电，那么随着全球气温持续上升，电力供应将变得更加紧张。例如，美国能源情报署的数据显示，2013 年至 2021 年间，停电频率和持续时间均有所增加，停电时间从 3.5 小时增加了一倍至 7 小时。随着气温继续攀升，如果现有基础设施不改变，我们只会看到越来越多的停电。

众所周知，极端高温也会降低输电线路的效率。这是由于材料特性和更多通过电线传输的能量来支持需求的结合。当电阻导致线路温度升高并与温暖的空气结合时，输电线路可能会膨胀。这种膨胀会导致输电线路下垂，最终导致损坏、故障和停电。

如果电力线可以采用机械坚固且热稳定的材料建造，并且电气性能不会下降，那么即使温度和能源需求不断增加，发生故障的输电线路也会减少。

这就是石墨烯讨论的切入点。石墨烯可以取代或至少改善铜，因为石墨烯结合了强大的机械、热和电性能。

什么是石墨烯？为什么它是一种良好的电导体？

石墨烯是一种二维形式的结晶碳。它具有六角形原子排列，与石墨相同。每个碳原子与其他三个碳原子键合，每个碳原子留下一个自由电子。这种自由电子很重要，因为它漂浮在原子表面之上并具有高载流子迁移率和导电性。

石墨烯优异的电子特性还源于其原子晶格的有序方式及其对电子的影响。石墨烯具有倒晶格，石墨烯的价带和导带在晶格中称为狄拉克点的点处相交。在狄拉克点，两条带相交，并且它们之间没有间隙。这导致电子和空穴载流子重叠，导致没有电子带隙（即，零带隙导体）。如果材料没有带隙，则空穴载流子可以自由地进入导带，因为没有需要克服的电子势垒，从而导致高电导率和载流子迁移率。

石墨烯中的狄拉克点也呈现出圆锥体形状（称为狄拉克锥）。这种形状使电子表现得好像没有质量（因为电子和空穴具有线性能量/动量关系），被称为无质量狄拉克费米子。由于空穴载流子现在没有质量，因此它们可以以非常高的速度穿过层，并且也是石墨烯优异的导电性和载流子迁移率的原因。

铜与石墨烯的比较

铜和石墨烯是两种已开始在电气应用方面进行比较的材料。铜一直是长期以来的选择，但石墨烯是“新秀”。铜确实具有 57-59 MS/M 的优异导电率，这就是它被使用这么长时间的原因。另一方面，石墨烯的电导率高达100 MS/M。总体而言，LTDF 石墨烯的电导率比铜高出 70%。

但电性能不仅仅与电导率有关，载流子迁移率也很重要。载流子迁移率是自由电子（或空穴）在材料中移动的速度，决定了它们在施加的电场下移动的速度。在具有较高载流子迁移率的材料中，这些载流子穿过材料和/或器件（如果我们谈论的是电子器件）所需的时间较短。此外，电气系统的电流取决于载流子迁移率，载流子迁移率较高的材料会产生较高的电流。虽然铜具有高电导率，但其载流子迁移率仅约为4.5 cm ² v ^-1 s ^-1。相比之下，石墨烯的载流子迁移率约为 15,000 cm ² v ^-1 s ^-1，使其整体电子性能明显优于铜。石墨烯还具有高达 10 ¹¹ – 10 ¹² cm ²的非常大的载流子浓度。

另一个方面是拉伸强度。虽然当地、城市甚至郊区的输电线路可能不需要高强度，但覆盖长距离或跨越河流或峡谷等障碍物的输电线路受益于高拉伸强度的材料，以克服线路上的任何机械应力 –尤其是在极热、大风或结冰的时期。在这方面，石墨烯要优越得多，因为它是一种具有已知最高拉伸强度的材料，并且总体上具有出色的机械性能。具体地，铜具有200至400MPa之间的拉伸强度和120GPa的杨氏模量。相比之下，石墨烯的拉伸强度为 130,000 MPa，杨氏模量为 1000 GPa，凸显了铜和石墨烯之间机械强度的巨大差异。

最后，热性能是确保输电线路安全和最佳功能的关键。如果传输线路产生的热量或周围环境的高热量消散得不够好，可能会导致线路损坏和故障。这是因为抗拉强度较低的材料在如此炎热的条件下会膨胀和下垂，从而导致与树枝和地面上其他障碍物潜在的破坏性接触。石墨烯具有优异的导热性和高热稳定性，有助于防止线路损坏，同时通过更好的散热提高传输效率。

与导热率为 400 W m ^-1 K ^-1且在熔化前可承受高达 1085 °C/1985 °F 左右的温度的铜相比，石墨烯可承受 2300 °C/4200 °F 以上的温度，并且具有导热系数约为5300 W m ^-1 K ^-1。这种更高的导热率在散热方面更加有效。虽然铜理论上可以承受高温，但一旦铜的温度升高，铜的电阻率就会开始增加，从而降低其传输电流的效率。因此，铜温度越高，其电导率就越低，温度每升高 1 °C，铜的电阻率就会增加约 0.4%。

总体而言，对于电力传输应用，石墨烯具有比铜​​更好的许多性能优势。虽然石墨烯的电导率和载流子迁移率要高得多，但含有很少缺陷的高质量石墨烯是关键，因为石墨烯中的任何缺陷位点都会散射电子，减慢电子速度并降低石墨烯层的电导率。缺陷还会影响石墨烯层的对称性，改变这些层中碳键的长度，或改变碳原子的电子轨道，所有这些都会影响石墨烯的电性能。

缺陷还会降低石墨烯的热导率、拉伸强度和杨氏模量。如果石墨烯要在传输和许多其他电气应用中与铜竞争，这三个关键特性的结合至关重要，因此需要创建缺陷很少的石墨烯材料（因为没有材料具有零缺陷）。这就是大而薄且几乎无缺陷（LTDF）的石墨烯的用武之地，因为它的薄片尺寸大于平均尺寸并且没有缺陷，使其成为促进电流移动的理想材料。

我们可以一起使用铜和石墨烯吗？

虽然石墨烯有潜力在电力传输和电力应用中取代铜，但将其与铜一起使用来提高现有传输线材料的性能怎么样？这也是一种可能。各种研究报告称，石墨烯已被用来与铜一起制造更坚固的导电复合材料。

Kang等人的一项研究。开发出石墨烯-铜复合材料，与纯铜相比，其载流能力提高了 450%，电流提高了 41%，散热量提高了 224%。这些复合材料并不是专门为传输电缆而设计的，而是针对一般电气应用而定制的，但它显示了在传输应用中使用这两种材料的潜力。

除了铜之外，石墨烯也引起了人们对输电线路中使用的其他复合材料的兴趣，例如铝芯钢绞线 (ACSR) 电缆。目前韩国正在进行一个项目，希望利用石墨烯纤维使钢芯铝绞线电缆超越其当前的电力传输效率（因为它们已达到其技术极限）。到目前为止，石墨烯的集成已经生产出了更轻的电缆，其传输能力是传统铝电力电缆的三倍，更多成果仍在不断涌现。

结论

通往净零的道路不应该用大量的铜来铺就。

200 多年来，铜一直是电力传输的标准。但是，随着世界向新能源和可再生能源过渡，铜的许多局限性需要替代材料来将这些清洁能源与能源消费者连接起来。

虽然铜在 1820 年代开始的第一代电气化中发挥了重要作用，但它很重，而且越来越昂贵，其供应将面临满足需求的挑战。此外，铜矿开采还污染大气和环境。

政府和行业应该寻求更轻、更高效、更丰富的材料，这些材料可以规模化以满足第二代电气化的需求。凭借其卓越的导电性和超轻的重量，LTDF 石墨烯已成为一种有吸引力的选择。然而，利用 LTDF 石墨烯增强材料作为电力传输中的铜替代品还需要开展工作。

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