石墨烯點爆材料革命 無法擺脫的“特斯拉魔咒”

    鋰電世界  石墨烯，這個以往更多出現在實驗室的材料，一夜之間成為產業界“新寵”。從三星的移動手機、蘋果的可穿戴設備，到特斯拉電動車的電池，都出現了石墨烯材料的身影。

　有人說，誰掌握了石墨烯技術，誰就掌握了未來電子設備市場發展的關鍵。由于它可以讓設備變得更薄更柔軟，海外媒體認為石墨烯將成為蘋果和三星的下一個戰場。目前蘋果、三星和谷歌已經在競爭收購，欲將這種材料用于移動和可穿戴設備中的相關知識產權都收入囊中。
　　
    電動車“教父”馬斯克的野心是，不久以后實現單次充電續航里程達500英里的目標，因為石墨烯基陽極材料可將現有鋰離子電池的能量密度和輸出功率提高三倍。
　　
    馬斯克的野心點燃了全球的暗戰。日本火速研發出特制的石墨烯材料替代鉑作為催化劑，可大幅降低電動車電池成本。西班牙Graphenano公司計劃于2015年將石墨烯聚合材料電池投入生產，并與德國兩家汽車巨頭合作，本月投入試驗。
　　
    在中國，石墨烯得到高層的特別關注。據新華社報道，國家主席習近平13日晚考察了江蘇省產業技術研究院，了解石墨烯研發情況。有消息稱，工信部等計劃將石墨烯寫入“十三五”新材料規劃。
　　
    盡管一般人每天駕車出行的平均里程僅為100英里(約合161千米)左右，但特斯拉首席執行官馬斯克仍對ModelS汽車目前所使用的85千瓦時電池組感到不滿，他希望能將電池容量提高一倍。
　　
    “公司將有可能開發出一款500英里(約合805千米)續航里程的汽車。事實上，我們可能很快就能做到這一點。”馬斯克的話讓人對石墨烯浮想聯翩。
　　
    美國科學界預測，一旦石墨烯基陽極材料技術成熟，特斯拉可在不久后實現單次充電續航里程達500英里的目標。根據技術參數，這種材料將可把鋰離子電池的能量密度和輸出功率提高三倍。
　　
    馬斯克的一舉一動都被視為電動車技術發展最新風向標，“特斯拉魔咒”至今難以破解。這種“跟風式”的研發正在日本、西班牙全面展開，有望引領下一次材料革命提前爆發。
　　
    日前，日本東北大學助教伊藤良一率領的研究小組嘗試用石墨烯作為替代催化劑。石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構新材料，價格不高。研究人員先利用片狀石墨烯制作出立體結構，然后用氣相沉積法給立體結構鍍上氮和硫。結果發現，鍍上的氮和硫的量越多，就越能高效催化制造出更多的氫。研究人員稱，如果在石墨烯催化劑中再加入鎳，其制氫能力就可以超越鉑催化劑，預計將此技術市場化后，可以使燃料電池成本大大下降。
　　
    一家在西班牙以工業規模生產石墨烯的公司Graphenano與該國科爾瓦多大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，預計該電池2015年將此投入生產。本月，兩家德國汽車巨頭將對這款新型電動車進行試驗。
　　
    技術分析人士稱，這項新技術是將石墨烯做成聚合物，其優勢在于它的能量密度、持續時間、充電速度、重量和價格。Graphenano的副總裁強調：“它對于航空業、汽車業、計算機產業和能源產業都意味著一個跨越性的發現，能大大增加產業效率，并且將之前的一些想象變成可能。”
　　
    技術參數表明，這種石墨烯聚合材料電池性能卓越，儲電量是目前市場最好產品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘;使用壽命是傳統氫化電池的四倍，是鋰電池的兩倍;重量為傳統電池的一半，這樣可以提高裝載該電池的機器的效率;成本將比鋰電池低77%。
　
    石墨烯的發明者之一、諾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫爵士去年收到一份來自中國的稀罕之物——全球首款石墨烯觸屏手機。“這是真的嗎?真是用石墨烯做的手機嘛?”收到禮物時，諾沃肖洛夫大為驚嘆。諾沃肖洛夫和其導師因研究二維材料石墨烯開創性實驗而獲得2010年諾貝爾物理學獎。
　　
    目前，在英國劍橋大學研發團隊的改善下，石墨烯屏幕的柔性更上一個臺階。
　　
    今年，劍橋大學石墨烯研究中心和英國公司PlasticLogic共同生產了一款可以完全彎曲折疊的顯示屏。它是一款有源矩陣電泳顯示屏，這種技術通過使用電場重新排列溶液上的懸浮粒子，顯示出圖像。這種顯示屏和如今的電子閱讀器顯示屏很相似，不過它沒有采用玻璃材質，而是選用了軟塑料，當然，這也是首次將石墨烯技術應用在基于晶體管的電子設備上面。
　　
    這項研究最近得到了英國技術戰略委員會的支持，并作為旗下“石墨烯革命”項目的一部分。明年，這項技術有可能應用在基于OLED的全彩柔性石墨烯顯示屏生產上。
　　
    一般顯示屏背板都是導電連接層，可以提供電力支持，重新排列懸浮顯示粒子。但這款顯示屏和傳統顯示屏也有很大不同，它的背板采用了經乳濁液處理的石墨烯電極，而不是標準的濺鍍沉積金屬電極。換句話說，通過利用低溫處理，石墨烯是被“打印”在了背板底層基片上。PlasticLogic公司還開發了一種“有機薄膜晶體管技術”，可以在不到100攝氏度(華氏212度)的低溫下，制造出150PPI的顯示屏背板。之后，儲存電極將會按照規定的電路圖形開始進行蝕刻，提供背板連接網絡。
　　
    在產業界，蘋果與三星在柔性屏領域競爭已經到了白熱化狀態。
　　
    本月蘋果官方申請了一份關于柔性顯示屏的專利技術。這項技術可以使顯示屏通過變形提供觸覺反饋，同時支持按壓和觸控兩種模式。據了解，未來的AppleWatch很有可能采用這種支持力回饋的顯示屏幕。不光如此，蘋果的其他產品也很有可能采用柔性屏幕。
　　
    柔性顯示屏并非蘋果一家獨有，三星此前也在研制全面的柔性顯示屏并且已經應用于其智能手表GalaxyGear。但是這兩種柔性顯示屏在技術上是不一樣的。蘋果的柔性屏可以通過設置在屏幕下方的驅動器創建隆起和凹陷，而三星的柔性屏幕則可以完成卷曲和折疊。
　　
    未來，隨著項目的進一步深入開發，柔性屏將結合LCD和OLED技術，具備全彩色支持能力，并滿足視頻顯示的高速刷新率需要。這樣，此技術可應用在更輕、更易擴展的高密度傳感器上，比如高分辨率的醫療圖像系統，以及高精準的手勢識別應用程序。