臺灣石墨烯創(chuàng)客宮非：石墨烯很快就會普及
關(guān)于志陽科技：2012 年創(chuàng)立于臺灣臺中，公司選擇從LED應(yīng)用照明市場起跑，由于了解散熱瓶頸而進(jìn)入石墨烯材料基礎(chǔ)研究，扎實(shí)的研制過程使公司取得領(lǐng)先全球的石墨烯粉末量產(chǎn)技 術(shù)。今年5月志陽科技與江西共青城市達(dá)成在共青城建立石墨烯產(chǎn)業(yè)園的意向，并簽定石墨烯大功率LED、石墨烯超級鋰電容、石墨烯電力合金電纜和石墨烯導(dǎo)熱 材料產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)和銷售等與石墨烯關(guān)聯(lián)的項目落戶協(xié)議。
以下為宮非關(guān)于石墨烯未來前景的認(rèn)識：
宏 觀來看，石墨烯已經(jīng)被證明有那么多優(yōu)異的性質(zhì)，在現(xiàn)今材料突破的方向發(fā)展絕對是正確的。但在微觀的角度來看，先前因?yàn)槭┲苽淅щy，業(yè)者認(rèn)為性價比太低 沒有意愿參與，現(xiàn)在可以量產(chǎn)了，價格也很低，現(xiàn)有氧化還原法做出的氧化石墨烯在機(jī)械性能可比擬石墨烯，但導(dǎo)電、導(dǎo)熱等其他性能還不行，要還原到接近石墨烯 要花很大成本，這點(diǎn)中國從2008年發(fā)展至今，尚未有具體成果可證明。
但換個角度來看，未來如果價格跟氧化石墨烯一樣，物性又接近石墨烯，那么我們在新聞上看到的所有石墨烯下游應(yīng)用產(chǎn)品都將被實(shí)現(xiàn)。
我是很樂觀的，我認(rèn)為石墨烯很快就會普及，它會從接地氣的復(fù)材、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤滑及涂料等門坎較低的技術(shù)先產(chǎn)業(yè)化﹔第二階段是納米纖維、濾膜、復(fù)合金屬、能源、感測、吸附及催化材料﹔最后是碳纖維、生醫(yī)、半導(dǎo)體及光電器件。
據(jù)我們了解到的情況是，目前不少項目已經(jīng)默默在各省石墨烯產(chǎn)業(yè)園推動了，只是因?yàn)槠髽I(yè)講究量產(chǎn)一致性，跟學(xué)界只是取得論文及專利的思維不同，如果沒有做到可以立即取代現(xiàn)有產(chǎn)品的高性價比，企業(yè)通常會選擇做到最好后再上市。
這里僅以石墨烯在超級電容器上的應(yīng)用可能來說明石墨烯的潛力.
超級電容器又稱為電化學(xué)電容器，過去多應(yīng)用于需要提供瞬間超大電流電力，以及需要快速充電的場所。最近，我把石墨烯超級電容移動電源的想法向某些朋友提出，他們馬上反應(yīng)過來，認(rèn)為LED路燈如果能搭配太陽能及超級電容儲能改善，勢必會造成相關(guān)產(chǎn)業(yè)再次洗牌。
超級電容器的儲能機(jī)理區(qū)分為基于多孔電極/導(dǎo)電液界面上電荷分離所產(chǎn)生的電雙層電容，及基于電極表面與體相發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)的法拉第膺電容，但在電極面積相同的條件下，后者的比電容是前者的10~100倍左右，所以我們選擇膺電容電容器來進(jìn)行規(guī)劃。
從超級電容器的最大儲存能量 E = 1/2 CT * V^2，且輸出功率 P = V^2／4Rs，顯示想要提高超級電容器的性能就必須從提高電極材料的比電容密度及電容器的額定電壓、同時降低電容器的等效電阻著手。而電極材料的比電容 密度由電極的比表面積、孔隙分布、孔隙微觀結(jié)構(gòu)及材料表面狀態(tài)等因素決定。所以，超級電容器電極材料除了需要具有較大比表面積外，其內(nèi)部孔隙大小與結(jié)構(gòu)要適合電解質(zhì)離子吸附與脫附，電極表面要與電解液保持適當(dāng)?shù)慕䴘，這樣才能夠提高離子可利用的有效面積，提高電極的比電容密度。
另外，超級電容器的額定電壓由其電解液的性質(zhì)決定，我們原來想選擇有機(jī)電解液，因?yàn)轭~定電壓為 2.7V比水系的 1.0V好很多。但有機(jī)電解液電阻較大、電子遷移速率低，所以會降低超級電容器的充放電速率與能量密度，加上存在容易燃燒、安全性差等問題待克服，最后，我們選擇離子液體 (4V)充當(dāng)超級電容器的電解質(zhì)，既可獲得較高的工作電壓和能量密度，又可以消除有機(jī)電解質(zhì)的安全性疑慮。
接下來的工作重點(diǎn)是解決離子液體與電極材料的接觸與匹配，充分平衡兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。
在還沒仔細(xì)說明后續(xù)作法前，我先來破除兩個謬論，這兩個謬論經(jīng)常被大家用來當(dāng)作發(fā)展石墨烯超級電容器的論點(diǎn)。
第一，大家都說因?yàn)槭┚哂懈弑缺砻娣e及高導(dǎo)電率，所以可以做出最佳的超級電容。但為何一直沒有看到產(chǎn)品呢? 原因在于石墨烯高比表面積并不表示電極材料就會有高比表面積，而且就算你做到高比表面積的電極材料，但內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不適合離子吸附與脫附，因此不見得會有高比電容；
第二，額定電壓可以用離子液體去提升，只要找出離子液體與電極材料的匹配關(guān)系就可以控制這個變因。石墨烯高導(dǎo)電性的特性只在導(dǎo)電液有用處，但電極材料如果沒有達(dá)到吸附和脫附作用，也是空有一身武功。所以，離子吸附脫附才是提高電極高比電容的主要變因。
大家可能不知道石墨烯微片應(yīng)用在超級電容比石墨微片效果更差的原因在于﹕石墨烯邊緣的吸附力大于石墨烯表面，系表面的大π鍵是飽和的，不利于吸附。那我們?yōu)楹芜選擇石墨烯來改善超級電容器的儲能效果?
我認(rèn)為至少有兩點(diǎn)是利用石墨烯作為突破點(diǎn)的機(jī)會：第一，通過改性石墨烯，使碳原子的連接單體產(chǎn)生缺陷，進(jìn)而使缺陷處出現(xiàn)不飽和吸附力大增﹔同時，連接單體加大石墨烯片的間距，更有利于電解液的浸潤。第二，超級電容器除了能量密度太小的問題外，循環(huán)穩(wěn)定性也是待解決問題之一。石墨烯的似苯環(huán)結(jié)構(gòu)在解決這個問題上可能會發(fā)生作用，許多研究都觀察到石墨烯復(fù)材在循環(huán)過程中充放電曲線形狀幾乎沒有發(fā)生變化，基本上呈鏡像對稱，證明石墨烯具有高穩(wěn)定性。
所以，以為石墨烯導(dǎo)電性高、比表面積高就可以解決超級電容存在的問題，本身是一個不切實(shí)際的想法。我們決定做膺電容電容器，選擇離子液體是因?yàn)轭~定電壓高，最后就是選擇電極材料了。
能產(chǎn)生膺電容的電極材料包括﹕金屬氧化物及導(dǎo)電聚合物， 我們兩種都有開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，所以都會去嘗試，現(xiàn)在在考慮是以涂層還是氣凝膠的型態(tài)做成電極材料。以導(dǎo)電聚合物為例，儲能機(jī)理是發(fā)生電極反應(yīng)時，聚合物發(fā)生快速 可逆的摻雜和去摻雜的氧化還原反應(yīng)，伴隨著離子嵌入／脫嵌聚合物主鏈以保持電中性，同時儲存電荷。其中發(fā)生氧化反應(yīng)的電極形成P型摻雜，發(fā)生還原反應(yīng)的電 極形成 N型摻雜，電極能夠嵌入／脫嵌離子的數(shù)量決定了超級電容器的比電容密度，因此必須在聚合物中保持適當(dāng)?shù)姆肿娱g隙，保持離子能進(jìn)出電極內(nèi)部，同時提高超級電 容器的比電容密度及充放電功率密度。
最后，我有兩點(diǎn)觀念要分享給各位。第一，最近歐盟發(fā)布的石墨烯產(chǎn)品有 600多種，每種石墨烯能夠適用的范圍不同，以往以為石墨烯是超級材料的觀念要調(diào)整，把石墨烯當(dāng)「增強(qiáng)體」會比較容易駕馭它﹔第二，所有事情都要回到材料物性與基本設(shè)計邏輯上去思考，要有好的吸附就要摻雜，摻雜勢必犧牲原有的導(dǎo)電率，只是 trade-off點(diǎn)在哪而已。
編輯：admin 最后修改時間：2018-05-11
