石墨烯結(jié)構(gòu)的分析

1、.石墨烯石墨烯之所以被廣泛應(yīng)用，是由其自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。石墨烯（ Graphene）是一種由碳原子以sp 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格2的二維碳納米材料。石墨烯內(nèi)部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2 雜化軌道成鍵，并有如下的特點(diǎn)： 碳原子有 4 個(gè)價(jià)電子，其中 3 個(gè)電子生成 sp2 鍵，即每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)位于 pz 軌道上的未成鍵電子， 近鄰原子的 pz 軌道與平面成垂直方向可形成 鍵，新形成的 鍵呈半填滿狀態(tài)。 研究證實(shí)， 石墨烯中碳原子的配位數(shù)為 3，每兩個(gè)相鄰碳原子間的鍵長為1.42 10-10 米，鍵與鍵之間的夾角為120。除了 鍵與其他碳原子鏈接成六角環(huán)的蜂窩式層狀

2、結(jié)構(gòu)外， 每個(gè)碳原子的垂直于層平面的 pz 軌道可以形成貫穿全層的多原子的大 鍵（與苯環(huán)類似），因而具有優(yōu)良的導(dǎo)電和光學(xué)性能。在石墨烯中， 電子能夠極為高效地遷移， 而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體， 例如硅和銅遠(yuǎn)沒有石墨烯表現(xiàn)得好。 由于電子和原子的碰撞， 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了 70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了優(yōu)良導(dǎo)熱特性。超級電池采用單原子厚度的碳層構(gòu)成， 這項(xiàng)技術(shù)能夠在最短時(shí)間內(nèi)對手機(jī)和汽車快速充電，能夠很容易制造并整合成為器件，未來有望制造更小的手機(jī)。石墨烯儲能和放電過程中不發(fā)生電池反應(yīng)， 只是將電子

3、儲存和釋放， 是物理變化。由此，應(yīng)當(dāng)稱其為電容，而不是電池。目前，石墨烯應(yīng)用于電池上的研究基本上有 3 個(gè)方向：一是以石墨烯形成全新體系電池。就是說以石墨烯制造一個(gè)全新體系的電池，在性能上是顛覆性的，稱作“超級電池”。使用這種材料制作的電池，能量密度超過 600wh/kg，是目前動力鋰電池的 5 倍，一次充電時(shí)間只需 8 分鐘，可行駛 1000 公里；電池重量只有鋰離子電池的一半，體積也會大幅縮小，減輕使用該電池汽車的自身重量； 電池的使用壽命更長， 是傳統(tǒng)氫化電池的 4 倍，鋰電池的 2 倍；其成本將比目前鋰電池降低 77%。這些物理參數(shù)都符合超級電池的要求。.二是以石墨烯強(qiáng)化現(xiàn)有電池性能。

4、將石墨烯運(yùn)用到現(xiàn)有電池上， 改進(jìn)提升鋰電池、太陽能電池等電池性能， 力圖達(dá)到超級電池的性能。對于那些已投巨資建設(shè)鋰電池工廠的企業(yè)， 短期內(nèi)很難再投資開發(fā)一種全新電池， 利用石墨烯的特性來提升現(xiàn)有鋰電池性能， 或許更為現(xiàn)實(shí)。 就石墨烯屬性來說， 作為最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電性良好且擁有強(qiáng)大靈活性的納米材料， 石墨烯可廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、 超級電容器及太陽能電池等儲能產(chǎn)品中。 石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)決定其可以提升電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能，可以幫助鋰電池技術(shù)突破長期難以逾越的障礙。目前，以石墨烯和硅為原料研發(fā)的手機(jī)電池，每次充電僅需15 分鐘，便可讓手機(jī)運(yùn)行一周。三是以石墨烯催化燃料電池性能。用特制

5、的石墨烯材料替代鉑作為催化劑，來制造燃料電池所需的氫燃料。 燃料電池是將燃料具有的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。與其他電池相比，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)?！百|(zhì)子傳導(dǎo)薄膜”是燃料電池技術(shù)的核心部分。 現(xiàn)有的質(zhì)子薄膜上常存在燃料泄漏， 因而降低了電池有效性。 但質(zhì)子可以較為容易地“穿越”石墨烯等二維材料， 而其他物質(zhì)則很難穿越，這就可以解決燃料滲透的問題，從而增強(qiáng)電池的性能。鉛酸蓄電池定義： 電極主要由鉛及其氧化物制成， 電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。 英語： Lead-acid battery 。放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛； 充電狀態(tài)下， 正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。 分為排氣式蓄電池和免維護(hù)鉛酸電池。石墨烯電池比起鉛酸蓄電池來說， 最大的優(yōu)點(diǎn)是單體容量大， 重量輕，充電速度快。石墨