石墨烯结构的分析.docx

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1、石墨烯石墨烯之所以被广泛应用，是由其自身的内部结构决定的。石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每

2、个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了优良导热特性。超级电池采用单原子厚度的碳层构成，这项技术能够在最短时间内对手机和汽车快速充电，能够很容易制造并整合成为器件，未来有望制造更小的手机。石墨烯储能和放电过程中不发生电池反应，只是将电子储存

3、和释放，是物理变化。由此，应当称其为电容，而不是电池。目前，石墨烯应用于电池上的研究基本上有3个方向：一是以石墨烯形成全新体系电池。就是说以石墨烯制造一个全新体系的电池，在性能上是颠覆性的，称作“超级电池”。使用这种材料制作的电池，能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里；电池重量只有锂离子电池的一半，体积也会大幅缩小，减轻使用该电池汽车的自身重量；电池的使用寿命更长，是传统氢化电池的4倍，锂电池的2倍；其成本将比目前锂电池降低77%。这些物理参数都符合超级电池的要求。二是以石墨烯强化现有电池性能。将石墨烯运用

4、到现有电池上，改进提升锂电池、太阳能电池等电池性能，力图达到超级电池的性能。对于那些已投巨资建设锂电池工厂的企业，短期内很难再投资开发一种全新电池，利用石墨烯的特性来提升现有锂电池性能，或许更为现实。就石墨烯属性来说，作为最薄、最坚硬、导电性良好且拥有强大灵活性的纳米材料，石墨烯可广泛应用于锂离子电池、超级电容器及太阳能电池等储能产品中。石墨烯的特殊结构决定其可以提升电池中的锂离子获得高速率通道的性能，可以帮助锂电池技术突破长期难以逾越的障碍。目前，以石墨烯和硅为原料研发的手机电池，每次充电仅需15分钟，便可让手机运行一周。三是以石墨烯催化燃料电池性能。用特制的石墨

5、烯材料替代铂作为催化剂，来制造燃料电池所需的氢燃料。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。与其他电池相比，具有能量转化效率高、无环境污染等优点。“质子传导薄膜”是燃料电池技术的核心部分。现有的质子薄膜上常存在燃料泄漏，因而降低了电池有效性。但质子可以较为容易地“穿越”石墨烯等二维材料，而其他物质则很难穿越，这就可以解决燃料渗透的问题，从而增强电池的性能。铅酸蓄电池定义：电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。英语：Lead-acidbattery。放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫

6、酸铅。分为排气式蓄电池和免维护铅酸电池。石墨烯电池比起铅酸蓄电池来说，最大的优点是单体容量大，重量轻，充电速度快。石墨烯电池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特性，开发出的一种新能源电池。石墨烯电池在饱和氯化铜溶液中，时间(小时、天数)和产生电压的关系。