中国粉体网讯 2004年，英国曼彻斯特大学俄裔物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫，首次采用胶带实现了热解石墨的机械剥离，成功制备出单层石墨烯，并因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。
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单层石墨烯的成功制备，不仅证实了石墨烯可以单独存在，而且破除了其无法成功制备（制造）的“定论”，其诞生也引发了世界范围内石墨烯研究热潮。有人将石墨烯称为无限可能的神奇材料，更有科学家预言它将改变21世纪，或掀起现代电子科技领域新的革命。
研究证实，石墨烯是目前世界上已知的强度最高和质量最轻的材料，石墨烯片材可用于超轻质飞机、红外导引头、激光武器、光电探测装备、超轻便防弹衣等研发应用，甚至可用于保护航天器免遭空间碎片的破坏，在军事航天、军用能源、军用发动机以及核武器开发、海水淡化、装甲防护、极高频卫星通信系统及柔性显示等方面具有广阔的应用前景。
1、石墨烯性能
（1）力学特性
石墨烯的杨氏模量可以达到1.0TPa，固有拉伸强度达到130GPa。同时，石墨烯具有良好的韧性，可以随意弯曲折叠，但其晶体结构并不会发生变化，既有优秀的延展性又保证了优异的结构性能。
（2）电学性质
石墨烯的电子能带结构较为特殊，其载流子遵循的量子隧道效应能够保证其遇到杂质时，载流子不发生散射，从而形成石墨烯的超强导电性，同时也保证了其超高的载流子迁移性。同时，石墨烯的电子迁移率在500K下基本不受影响，可以达到15000cm2/（V·s）。当温度降低时，石墨烯的迁移率超过20000cm2/（V·s）,这一性能超越了半导体材料（锑化铟、硅等)。石墨烯的电导率也很好，可以达到106S/cm。
（3）热学性能
石墨烯的导热性能极佳，目前已知的单层石墨烯的导热系数可以达到5300W/m·K，远高于单壁碳纳米管的3500W/m·K，是已知热导率最高的碳材料。当石墨烯作为填料或载体时，其热导率会出现明显的下降，但热导率仍能达到600W/m·K。
（4）光学性能
石墨烯是层状结构，具有半透明的特质，层数越低的石墨烯，透光度越好。单层石墨烯基本为透明状，可见光透过率达到97.7%。石墨烯的这些属性已经对基础研究产生了巨大影响，并且现已被广泛应用于复合材料、传感器、光电子等领域。
2、石墨烯用于锂电负极可行性
在锂电领域，随着研究的不断深入，将石墨烯及其复合材料应用在锂离子电池负极中成为一种前景和可行性都很不错的方案。
锂离子电池负极材料存在碳基或非碳基之分。其中，碳基中石墨、无定型及纳米碳材料应用较为广泛，而石墨烯较其他碳基负极材料相比，其片层两边可有效吸附锂离子，扩增储锂容量，可达石墨的2倍，且其无规则排列增加的微孔也可增强储锂量，而且石墨烯力学强度、电荷迁移率、导电率等性能较优，其特有的高柔韧性及长径，也让其具备作为锂离子电池负极材料的潜能。
3、石墨烯在锂电负极材料中的应用
锂离子电池负极作为储锂主体，对电池的性能起到重要影响。是否具有良好的锂离子传输通道和电子传输通道是断定负极材料优劣性的重要依据。石墨烯既具备提供良好电子传输通道的能力，又有优异的锂离子传输性能。石墨烯导电性能优异，其片层间距极小，仅为微纳米量级，使得锂离子的扩散路径较短。同时，石墨烯和锂离子的结合是在石墨烯的整个外表面进行，因此提升了传输性能。
不过，石墨烯直接作为锂离子电池负极材料性能不稳定，存在一些缺点：单层石墨烯片层极易堆积，比表面积的减少使其丧失了部分高储锂空间；首次库伦效率低；初期容量衰减快；电压平台及电压滞后等。
石墨烯可与多种材料复合作为锂离子电池负极，例如其与硅基、锡基纳米颗粒材料复合时能起到互补作用，采用石墨烯包覆材料能更好的阻止纳米颗粒的团聚，在结构上石墨烯的柔性和其纳米层之间存在的间隙可在锂离子电池的充放电过程中有效减缓材料的体积变化。石墨烯能通过增强硅纳米材料的电子导电性来提高材料的充放电速率，其与SnO2复合后能降低石墨烯堆积程度，同时还能保持硅纳米颗粒之间的间隙，加快锂离子的扩散，进一步增加电池的充放电速率。通过材料复合，能使该电极材料容量得到很大提升，有实验表明，在10A/g放电条件下其容量达到640mAh/g。此外通过石墨烯的吸附作用，该电极材料可有效降低循环后的容量损失，实验表明，经过10A/g放电条件下200次循环后其容量保持率达到72%。
对于锂电负极材料而言，过渡金属氧化物或具有前景的硅基材料进行石墨烯掺杂后在比容量、电压特性、内阻、充放电性能、循环性能、倍率性能等电化学性能方面表现出了优异的特性。将石墨烯和其他材料进行复合制作成石墨烯基复合负极材料成为现在锂离子电池研究的热点和锂电负极材料发展的一个方向。
总之，石墨烯作为一种无能隙的半导体材料，其二维尺寸仅有百纳米及数个微米，能极大缩减锂离子迁移距离，具有高导电性、高比容量、高化学稳定性等优势，且成本优势较为明显。但是石墨烯应用也面临不少问题，比如石墨烯的规模化制备、大尺寸石墨烯的工艺创新、石墨烯的化学改性或改良、石墨烯复合材料的加工等都还存在一些困难。未来寻求一种环保、大规模的石墨烯制备方法，并进一步探究石墨烯材料的电化性能，在理论与实践上都有重要意义，这将有助于深化石墨烯材料的应用，也能够为锂离子电池性能优化提供有效支撑。
参考来源：
1、王群.石墨烯——无限可能的神奇材料
2、董佳莹.石墨烯制备及在锂离子电池负极材料的应用
3、田晓鸿.石墨烯制备及其在新能源汽车锂离子电池负极材料中的应用
4、柯佳含等.石墨烯在锂离子电池中的应用
5、吉功涛.石墨烯及其复合材料在锂离子电池负极材料中的应用
（中国粉体网编辑整理/文正）
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