石墨烯具有高导电性和良好的柔韧性 (修复的)

石墨烯（人类目前最强的功能材料）是目前已知的最薄最轻的一种材料，单层的石墨

烯只有一个碳原子的厚度（3.4Å）。

导电性极强：石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速

的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

超高强度：石墨（由石墨烯一层一层摞起来的）是矿物质中最软的，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。瑞典皇家科学院在颁布2010年诺贝尔物理学奖的时候曾这样比喻其强度：利用

单层石墨烯制作的吊床可以承载一直4Kg的兔子。这样可以估算，如果将多层石墨烯叠放在一起，使其厚度与食物保鲜膜相同的话，便可以承载一辆2吨重的汽车。

超大比表面积：由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，即3.4Å ，所以石墨烯拥有超大

的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到 2630 m2/g，而普通的活性炭的比表

面积为 1500 m2/g，超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。

1.石墨烯基处理器运行速度将达 1000GHz 多晶硅目前已经成为半导体产业的基础原料，被大量应用于集成电路。随着制作工艺的不断提升，目前硅基芯片的运行速度已经达到了 GHz的级别。随着技术的不断进步，对于计算机运行速度的要求也不断提高，目

前的硅基集成电路的发展受到了本身材料的限制，在室温下硅基处理器的运行速度达到

4-5GHz 后就很难在继续提高。

石墨烯拥有比硅更高的载流子迁移率（即载流子在电场作用下运动速度快慢的量度），是一种性能非常优异的半导体材料，电子在石墨烯中的运行速度能够达到光速的

1/300，要比在其他介质中的运行速度高很多，而且只会产生很少的热量。使用石墨烯作

为基质生产出的处理器能够达到 1THz（即1000GHz）。石墨烯未来很可能成为硅的替代者，成为半导体产业新的基础材料。代替硅生产超级计算机。

2. 石墨烯提升锂离子电池性能

锂离子电池已经成为当前用途最广泛、前景最广阔的电池能源，其结构由正极、负极、隔膜和电解液组成。锂离子电池实际上是一种锂离子浓度差电池。充电时，锂离子从正极脱出，经过电解质嵌入到负极，锂离子从浓度高的正极迁移到浓度低的负极。电子由外电路从正极供给负极，以确保电荷的平衡。放电时，锂离子从负极脱出，经过电解液嵌入到正极，锂离子从浓度高的负极迁移到浓度低的正极，电子由外电路从负极供给正极，以确保电荷的平衡，在放电的过程中，电子在经过外电路时会做功。

锂离子电池负极材料经历了从焦炭类碳材料到石墨类碳材料的发展，电池的性能

得到了大幅的提升，石墨类碳材料目前已经成为最主流的负极材料。碳材料根据其结构

特点可以分为石墨化炭、无定形炭和石墨炭。石墨烯作为一种从石墨中分离出来的新型碳质材料，加入到锂离子电池中能够大幅提高导电性。而且实验表明，将石墨烯应用于锂离

子电池的负极材料中，其比容量可以达到 540mAh/g 以上，而目前普通的人造石墨负极的比容量只有370mAh/g，可见石墨烯作为负极材料能够大幅提高锂离子电池性能。

石墨烯具有高导电性和良好的柔韧性，是柔性储能器件的理想候选材料之一。最近

金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室在前期制备出具有三维连通网络结构的石墨烯泡沫的基础上，提出利用该材料作为高导电的柔性集流体，设计并制备出可快速充放电的柔性锂离子电池。将三维连通的石墨烯网络作为集流体，取代电池中常用的金属集流体，不仅可有效降低电极中非活性物质的比例，且三维石墨烯网络的高导电性和多孔结构为锂离子和电子提供了快速扩散通道，从而可实现电极材料的快速充放电性能。为了在不使用粘结剂和导电添加剂的情况下实现活性物质和石墨烯集流体的良好接触以促进电子传输和提高弯折时电极材料的稳定性，研究人员发展了原位水热合成方法在石墨烯三维连通网络结构上直接生长活性物质，如磷酸铁锂和钛酸锂。将磷酸铁锂/石墨烯和钛酸锂/石墨烯复合材料分别作为正负极，采用柔性硅胶为封装体，组装了具有很好柔性的锂离子全电池。该柔性锂离子电池在弯曲时，其充放电特性保持不变，并可在 6 分钟内完成充电(达到初始容量的 90%)，在 100次循环之后容量保持率在96%。这种可快速充电的柔性锂离子电

池的制备工艺简单，具有潜在的实际应用价值。

超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，能够在几秒钟内完成充电，其容量能够达到几百甚至上千法拉；具有容量大、功率高、使用寿命长等特

点。在数码相机、掌上电脑、新能源汽车等领域都有着广泛的应用价值超级电容器不同于

电池，在充放电时不会发生化学反应，电能的存储或释放都是通过静电场建立的物理过程

完成的。

超级电容器的结构和普通电容器类似，在两极板中间添加了一个隔膜，而且超级电

容器的电极材料选择的较为特殊。碳材料是最早也是应用最为广泛的电极材料，目前使用

的碳材料主要是活性炭，这些碳材料的基元是石墨烯。由于超级电容器是通过导体表面来

存储电荷，所以适合电子聚集的有效表面积越大其容量就越大；而石墨烯具有超大的比表

面积，单层石墨烯的比表面积能都达到 2630 m2/g，是极为理想的超级电容器储能材料。实验表明使用石墨烯作为电极的超级电容器能够产生相同体积电容器 6倍以上的容量，

大大提高了超级电容器的性能。

未来超级电容器的市场规模将保持快速增长，特别是在一些需要高功率、高效率的领域，超级电容器已经开始替代传统电池。2010 年全球超级电容的市场规模将达到 50 亿元，并保持着 20%的增长速率。而石墨烯作为电极制成的超级电容器将在性能上有极大的

提高，未来随着超级电容器的逐步推广，石墨烯也将面临巨大的市场空间。

石墨烯新应用：新型超级电容充电仅需200微秒

美国科研人员制成了一种新型超级电容，只需不到1毫秒的时间即可完成充电，并

在交流电路的测试中获得了成功。相关论文发表在science。

超级电容也称双电层电容器，是一种新型储能装置，能在几秒钟内完成充电，此外

还具有容量大、功率高、使用寿命长、经济环保等特点，。

超级电容主要通过导体的表面来存储电荷，因此用于存储电荷的面积越大、分离出

的电荷越密集，其电容量越大。目前超级电容大多采用多孔化活性炭结构来扩大储能面积，这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离，使其与普通电容相比储能容量更大，与

电池相比能量传递速度更快。但就某些设备而言，这区区几秒的充电时间仍然显得有些长。

对超级电容的结构和电极进行了新的设计，使其充电的时间缩短到了200微秒(人类

每次眨眼的时间约为0.2秒—0.4秒，即20万微秒—40万微秒)。整体由一组与底座垂直的石墨烯基片构成：石墨烯基片只有一个原子厚，由等离子体化学沉积而成；其基座由

10纳米厚的石墨制成。米勒形象地称其为“一组600纳米高的土豆片并排站在一起”。

实验显示，与原先的多孔化活性炭结构制成的超级电容相比，新电容效率更高，能在更短

的时间内完成充电。

石墨烯可制成能够折叠的显示器

目前的显示器和触摸屏等器件中的导体材料，主要是使用的氧化铟锡 ITO材料。

但由于 ITO材料韧性相对较差，在折叠或是拉伸时可能会影响现象的效果。石墨烯由于

由于其特殊的分子结构而有非常高的导电性，而且石墨烯几乎完全透明；这两种性质使得

石墨烯本身就是一种性能非常好的透明导体材料，适合用于制作显示器件。石墨烯的另

一个特性是具有高韧性，能够拉伸 20%而不断裂。使用石墨烯作为导体材料，能够制成可

以折叠、伸缩的显示器件。目前触摸屏和液晶显示器主流的透明导体材料是 ITO 材料，但相比 ITO 材料，石墨烯拥有更高的强度和更好的韧性，作为透明导体材料，能够制成

可以弯曲折叠的显示器件。