石墨烯或改变可穿戴设备格局

2014-3-19 09:25 来源: 证券时报
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  近来,老题材石墨烯不断焕发“新生命”,作为21世纪最具应用前景的新材料之一,石墨烯的每项技术发明都给该题材注入了新的生命力。不仅如此,国家科技重大专项、国家973计划也持续围绕石墨烯部署了一批重大项目。业内人士估计,石墨烯未来的市场规模或可达到万亿元以上。

  可穿戴设备正迎接石墨烯

  据相关媒体报道,美国科学家日前用石墨烯开发出一种只有指甲盖大小的红外线图像传感器。不同于目前常见的中红外和远红外图像传感器,新技术无需笨重的冷却装置就能运行,首次实现了在室温下对全红外光谱的观测。不仅如此,由于体积小、重量轻,它甚至能够集成到隐形眼镜或手机中,未来还有望在军事、安保、医学等多个领域获得应用。上述发明的相关论文在线发表在《自然・纳米技术》杂志网站上。

  据介绍,红外线的波长在760纳米至1毫米之间,是一种波长比红光长的非可见光,分为近红外线、中红外线和远红外线三种。普通摄像机只需一个芯片就能拍摄到可见光,而红外成像技术则需要同时看到近红外、中红外和远红外各种不同频谱的图像。更具挑战性的是,中红外和远红外传感器通常必须在极低的温度才能工作。

  这项由密歇根大学电气工程和计算机学助理教授钟朝晖(音译)和同校的特德・诺里斯教授负责的研究将石墨烯作为原材料。众所周知,石墨烯是一种由碳原子构成的单层结构,能够探测到整个光谱的红外线、可见光和紫外线。但由于石墨烯对光线的吸收能力较差(2.3%),不足以产生足够的电信号,因而此前相关的研究一直止步不前。钟朝晖教授表示,上一代石墨烯红外线传感器所面临的最大问题就是灵敏度太差,无法满足商用设备的需要。

  为了克服这一障碍,钟朝晖和他的团队对石墨烯产生电信号的过程进行了改进。据物理学家组织网报道,他们在两个石墨烯薄片之间设置了一个绝缘隔离层,底层有电流通过。当光线照射到顶层石墨烯的时候,装置会释放电子,产生带正电的空穴。而后在量子机制的作用下,电子穿过中间的绝缘层,到达底部的石墨烯层。此时留在上层石墨烯上的带正电空穴会产生电场,并对下层石墨烯的电流产生影响。而通过测量电流的变化,就能推断出照射在上层石墨烯上的光的亮度。

  上述研究人员称,新方法让中红外和远红外传感器的灵敏度达到了一个新的高度,完全能够媲美需要冷却装置才能运行的传统红外线传感器,而且该设备只有一个指甲盖大小,很容易实现集成。如果能够将这种探测器集成到隐形眼镜或其他可穿戴电子设备当中,将有望为人们提供一种前所未有的、与环境进行交互的新方式。同时,该技术也为红外线技术在军事、安保、医学等多个领域中的应用开辟了新的想象空间。

  车用石墨烯锂硫电池取得重大突破

  近一年来,石墨烯的研究发明可谓层出不穷。稍早之前就有相关媒体报道,2013年12月18日《科学网》引用了中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室的成会明课题组论文报道,以《超快长循环寿命锂硫电池:基于石墨烯的三明治结构》为题,介绍了高容量、长循环寿命、低成本及环境友好的新型石墨烯锂硫(Li-S)电池开发,并取得重大突破。

  据介绍,新型石墨烯锂硫电池理论比能量为2567 Wh/Kg,而中科院金属所采用石墨烯集电体的轻质特点,使其构成的锂硫电池具有更高的能量密度。目前常用锂电池能量密度约140Wh/Kg。也就是说,该电池的储电能力达到目前锂电池18倍以上,相当于将比亚迪E6电动汽车700KG电池,缩小约95%或35KG。

  根据早前的各方面消息,该电池的功率密度及充电时间均已解决,一次充电多在6分钟以内,其循环次数及电池寿命高于目前锂电池的百倍。大众化车用动力电池即将投入使用阶段,据测算,使用该电池之电动汽车的使用成本,约相当于燃油汽车的20%。

  据2014年2月17日中科院金属所的最新消息,石墨烯锂硫电池研发再次取得重大突破。这种超级电池“组装方法与现有锂离子电池工艺兼容,具有进一步放大和产业化前景”。与目前用在小汽车上电池比较,其重量下降90%以上,一次充电不超过10分钟,巡航里程超过450公里,每公里成本下降 4/5,电池寿命超过30年。该项研究以工业化生产的石墨烯为原料,通过连续工艺制备了石墨烯集流体和石墨烯复合隔膜,其组装方法还与现有的锂离子电池制造工艺可以兼容,因此具有进一步放大和产业化的前景,中科院金属所已经申请了三项专利。

  工信部此前发布的《新材料产业“十二五”发展规划》就将石墨烯作为前沿新材料之一。不仅如此,国家科技重大专项、国家973计划也持续围绕石墨烯部署了一批重大项目。业内人士估计,石墨烯未来的市场规模或可达到万亿元以上。