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絕對颠覆你的想象!石墨烯能給手機帶來什麼

新聞背景

2018年10月23日,三星在其官方微博上預告了石墨烯電池的使用。據稱,該電池在12分鐘内即可将手機充滿電,而無需使用目前市面上最多的VOOC快充頭。在此之前,華為宣布,華為Mate20X采用了石墨烯液冷散熱技術,通過搭載一層石墨烯散熱膜,手機的急速冷卻性能獲得大幅提升,即便長時間運行高耗能應用,也能讓機身保持“冷靜”。

近年來,手機已成為很多人最重要的生活必需品,而手機廠商們為何青睐石墨烯材料,頻頻圍繞石墨烯展開攻關呢?真正搭載石墨烯“黑科技”的手機又離我們有多遠呢?

”黑材料“誕生”黑科技“

碳是自然界中萬事萬物的重要組成物質,也是構成生命有機體的主要元素。石墨和金剛石是兩種典型的單質碳,也是最早為人們所熟知的兩種碳的三維晶體結構,屬于天然礦石。

20世紀80年代,納米材料與技術獲得了極大的發展。納米碳材料也是從這一時期開始進入曆史舞台的。1991年,由石墨層片卷曲而成的一維管狀納米結構——碳納米管被發現。2004年,石墨烯出現在碳材料的“家譜”中。每一次新的碳材料出現,不但為科學界帶來了新的研究風向,更為工業界注入了創新活力。

顧名思義,石墨烯與石墨有一定的淵源。以大家日常生活中最常見的鉛筆為例,用鉛筆寫字時,紙上留下的黑色筆迹中包含了無數石墨小顆粒。在顯微鏡下可以清晰觀察到這些小顆粒其實是由石墨薄片構成。随着薄片厚度的逐漸減小,石墨就會過渡到碳的另一種晶體結構:石墨烯。簡單來說,石墨烯就是單層石墨層片,是構成石墨的基本結構單元。

脫胎于黑色石墨中的“黑材料”石墨烯,在最近十餘年的科學界無疑是最為炙手可熱的“明星”,而自石墨烯中誕生的“黑科技”也是層出不窮。我們不止一次聽說過“石墨烯手機”“石墨烯電池”的概念,這其中有的是商家炒作,有的是貨真價實的新技術。我們不能簡單地把石墨烯當做一個形容詞來看,其實這些概念的正确解讀方式是:“在某些部件上采用了石墨烯相關的新技術的手機”和“在某一結構上采用了石墨烯材料來提升性能的電池”。為了讓更多的讀者和消費者能對“石墨烯”材料有正确的了解,接下來我們就以一部手機上可能應用到石墨烯技術的部分為例,為大家逐步揭開石墨烯的神秘面紗,向大家展示未來石墨烯真正有可能實現的具體技術應用。

石墨烯與锂離子電池

锂離子電池的研究起源于20世紀70年代,早期的锂電池采用金屬锂作為負極材料,由于充放電過程中産生的一些問題沒能徹底解決,其安全性和循環性能一直不理想。直到1990年前後,索尼公司開發出了以碳為負極,锂可逆嵌入或脫嵌的锂離子電池,锂離子電池才得以大規模推廣。锂離子電池具有高能量密度、高電壓、自放電效應小、循環性能優越、環境友好等優點,是一種理想的綠色電源。

石墨是一種優秀的锂離子電池負極材料。石墨的導電性好,潔淨度高,片層結構利于锂的嵌入與脫嵌,且锂原子嵌入石墨後電位基本保持不變。研究發現,當石墨層間被“撐開”時,石墨從二維的層狀結構變為三維的體狀結構,由于材料結構具有的一些特點,其儲锂容量會顯著提升,也就是說,通過将相等質量的石墨烯組裝成更無序更“混亂”的結構,既可提升锂離子電池的容量,也可以改善锂離子電池的循環穩定性,從而使電池的壽命更長。

除了作為锂離子電池的負極材料,石墨烯還可以作為導電填料添加在正極材料中,提高正極的導電性和循環穩定性,綜合來看,石墨烯應用于锂離子電池是未來必然的發展趨勢。

石墨烯與柔性顯示屏

石墨烯具有良好的導電性、化學穩定性及優異的透光性。在整個可見光光譜上,石墨烯的光透過率維持着統一的分布。相比傳統的透明電極材料氧化铟錫,其潛在優勢非常顯著。另一方面,由于石墨烯具有柔性,可以通過轉移的方法加工到柔性觸控面闆上。同時兼具兩種優異性能的石墨烯,毫無疑問是未來柔性觸控顯示屏的熱門候選。

曼徹斯特大學的科研人員将石墨烯薄膜作為透明電極應用于液晶器件中,取得了很好的效果。而在LED器件中引入石墨烯,可以改善電極的透光特性,降低電阻,提高器件的可靠性。在被譽為畫質最佳、分辨率最高的OLED器件中,由于石墨烯高強度、高導電性、柔性觸控以及透明等優點,相關廠商都在努力讓OLED和石墨烯強強聯手,在顯示領域開拓新天地。

石墨烯與散熱

電子産品的散熱是影響電子産品功耗和壽命的關鍵因素,散熱性不好的電子設備往往在微型化和性能上存在問題,此外,其可靠性也不盡如人意。在過去的幾代智能手機中,手機廠商們主要是通過大面積的金屬背闆,附加限制最高的工作溫度來實現手機的溫度控制,然而這與消費者對手機輕量化、高性能的追求是背道而馳的。

低維碳納米材料,如石墨烯和碳納米管等,因為其極高的彈性常數和平均自由程,具有很高的熱傳導率,又因其在高溫下的穩定性,可用作高效散熱材料,散熱能力比普通鋁合金高四倍。

石墨烯與聲學

手機上的揚聲器和耳機都是發聲器件,發聲器件是将電信号轉化為聲學信号的電子器件,最早的發聲器件可以追溯到1877年愛迪生發明的留聲機。現有的發聲器件多種多樣,按照工作原理可以分為電磁發聲、電容發聲以及壓電發聲,其工作本質是借助薄膜結構的振動,從而推進空氣波動發出聲音。

傳統發聲器件的振膜材料主要為塑料振膜,其優點是可塑性較高,易加工,成本低,但是剛性較差,容易導緻失真。而碳材料,包括碳納米管、石墨烯和碳纖維,既容易加工成膜結構,還具有質量輕、剛性好、失真小、内阻大等特點。目前市面上使用碳材料做振膜的耳機普遍售價較高,在耳機發燒圈内備受青睐。而随着未來碳材料合成成本不斷下降,極有可能取代塑料振膜,成為大衆市場的主力軍。

在傳統發聲領域之外,由于以石墨烯為代表的碳材料具有比塑料材料優越的熱學性能,它可以被用于熱電發聲。有别于傳統的發聲技術,熱電發聲的工作原理是将輸入的交流電轉換成為周期性波動的焦耳熱,該熱能使得空氣收縮膨脹從而産生聲波。不過這一技術目前的主要瓶頸是功耗較高,不具備節能的特性。

基于石墨烯所具備的優異熱學性能和輕巧柔性的特點,石墨烯可以被用來制作全柔性超薄透明石墨烯耳機,與當下最流行的AirPods無線入耳式耳機相比,石墨烯耳機不僅具有更好的柔韌性以貼合耳部,還具備生物兼容性,對人體沒有任何負面影響。對于需要長時間佩戴耳機進行工作或通話的某些特定人群,或者是追逐時尚的都市年輕人,甚至是需要助聽器的聽障人士,一款基于石墨烯的全柔性耳機都具有重要的意義。

石墨烯與矽處理器

如果将手機比作人體,那麼電池就像人的消化系統,負責提供能量;顯示屏就像人的外貌;散熱裝置就像人的血液循環;聲學部件就像人的感官系統;處理器則相當于人的大腦,是最為核心的元件。

目前,矽作為信息技術和能源兩個重大領域的龍頭材料,至今仍然發揮着無可替代的作用。基于單晶矽的集成電路芯片是當今高科技産業的基礎。随着“摩爾定律”無法再适用于目前矽基晶體管器件的更疊,人們在全力尋找可以替代它的新材料。碳元素作為元素周期表中矽的同族元素,具有與矽相媲美或者更勝一籌的性能,石墨烯的出現,一度被認為是電子信息技術領域的“救世主”,是續寫“摩爾定律”的不二人選。

目前,矽基處理器再創新高,工藝技術突破至7納米。碳材料已經可以在實驗室中實現1納米的處理器。當然,這一技術從實驗室走到生産線上還存在很大的距離,但是可以預見未來将有手機搭載碳基處理器的那一天。

毫無疑問,這些石墨烯“黑科技”離我們日常生活的距離已經越來越近,僅在一台智能手機上,便有如此多的潛在應用空間。相信在不遠的未來,它會走進我們的生活,融入我們的生活。(作者胡皓聞為清華大學材料學院博士生,朱宏偉為清華大學材料學院教授、博士生導師)

本文來自石墨烯資訊,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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