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陈根:石墨烯研究——开发低成本、更高效石墨烯纳米带生产方法

文/陈根

我们知道,一个负极、一个正极和一些电解质就构成了最简单的电池。带负电荷的电子通过电解质从负极流向正极,就形成了电流。

负极通常使用锂金属氧化物制造,带有这种负极的就被称为锂离子电池。锂离子电池之所以最常用,是因为它们能量容纳率最高,能够放进手机这么小的空间里。在充电和放电时,锂离子电池的能量密度是传统可充电电池的3倍。

不管是笔记本电脑还是手机,我们每天总要用到好几个锂离子电池。自从上世纪90年代上市以来,这些可充电电池让我们的电脑和电子设备变成可移动的,包括汽车。

但锂离子电池并非十全十美,世界上的锂供应量是有限的,企业和消费者对电池的安全性、寿命、容量的需求不断提升,也催生了新一代电池的开发,而其中,被誉为“新材料之王”的石墨烯备受关注。

石墨烯是目前发现的最薄、最坚硬、导电性能最强的材料。自2004年,英国曼切斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖诺夫首次发表“在二维石墨烯材料的开创性实验”,发展至今已经10余年。在此期间,石墨烯的制备方法逐渐成熟、性能逐步优化,应用也越来越成熟与广泛。石墨烯电池就是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的超高电子迁移率而开发的一种电池,并不是简单的石墨烯+电池。

石墨烯用于储能和计算的纳米带一直是科学家的研究热点,但生产这些超薄石墨烯条已经被证明是一项艰巨的任务。但日前,来自德国马丁路德·哈勒维腾贝格大学(MLU)的科学家们声称它们在这一领域取得了突破性进展,他们发明了一种首次能直接在半导体表面高效生产出石墨烯纳米带的方法。

跟生产石墨烯的蜂窝状碳原子片不同的是,石墨烯纳米带由只有几个原子宽的薄条带组成。这种材料具有巨大的潜力,它可以用作硅晶体管更便宜、更小的替代品——其运行速度更快、耗电量更少,或作为电池的电极——只需5分钟就能充好。

研究人员表示,这种直接在半导体表面上生产可定制石墨烯纳米带的新能力不需要金属表面来中和它们的能力,这将开启一些令人兴奋的可能性。它将不仅能为包括数据存储在内的应用使用,而且还可能成为先进电子设备包括量子计算机的高效半导体。学界也正致力并仍长期致力石墨烯的研究。

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