中國粉體網訊 2004年，英國曼徹斯特大學俄裔物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫，首次采用膠帶實現了熱解石墨的機械剝離，成功制備出單層石墨烯，并因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。
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單層石墨烯的成功制備，不僅證實了石墨烯可以單獨存在，而且破除了其無法成功制備（制造）的“定論”，其誕生也引發了世界范圍內石墨烯研究熱潮。有人將石墨烯稱為無限可能的神奇材料，更有科學家預言它將改變21世紀，或掀起現代電子科技領域新的革命。
研究證實，石墨烯是目前世界上已知的強度最高和質量最輕的材料，石墨烯片材可用于超輕質飛機、紅外導引頭、激光武器、光電探測裝備、超輕便防彈衣等研發應用，甚至可用于保護航天器免遭空間碎片的破壞，在軍事航天、軍用能源、軍用發動機以及核武器開發、海水淡化、裝甲防護、極高頻衛星通信系統及柔性顯示等方面具有廣闊的應用前景。
1、石墨烯性能
（1）力學特性
石墨烯的楊氏模量可以達到1.0TPa，固有拉伸強度達到130GPa。同時，石墨烯具有良好的韌性，可以隨意彎曲折疊，但其晶體結構并不會發生變化，既有優秀的延展性又保證了優異的結構性能。
（2）電學性質
石墨烯的電子能帶結構較為特殊，其載流子遵循的量子隧道效應能夠保證其遇到雜質時，載流子不發生散射，從而形成石墨烯的超強導電性，同時也保證了其超高的載流子遷移性。同時，石墨烯的電子遷移率在500K下基本不受影響，可以達到15000cm2/（V·s）。當溫度降低時，石墨烯的遷移率超過20000cm2/（V·s）,這一性能超越了半導體材料（銻化銦、硅等)。石墨烯的電導率也很好，可以達到106S/cm。
（3）熱學性能
石墨烯的導熱性能極佳，目前已知的單層石墨烯的導熱系數可以達到5300W/m·K，遠高于單壁碳納米管的3500W/m·K，是已知熱導率最高的碳材料。當石墨烯作為填料或載體時，其熱導率會出現明顯的下降，但熱導率仍能達到600W/m·K。
（4）光學性能
石墨烯是層狀結構，具有半透明的特質，層數越低的石墨烯，透光度越好。單層石墨烯基本為透明狀，可見光透過率達到97.7%。石墨烯的這些屬性已經對基礎研究產生了巨大影響，并且現已被廣泛應用于復合材料、傳感器、光電子等領域。
2、石墨烯用于鋰電負極可行性
在鋰電領域，隨著研究的不斷深入，將石墨烯及其復合材料應用在鋰離子電池負極中成為一種前景和可行性都很不錯的方案。
鋰離子電池負極材料存在碳基或非碳基之分。其中，碳基中石墨、無定型及納米碳材料應用較為廣泛，而石墨烯較其他碳基負極材料相比，其片層兩邊可有效吸附鋰離子，擴增儲鋰容量，可達石墨的2倍，且其無規則排列增加的微孔也可增強儲鋰量，而且石墨烯力學強度、電荷遷移率、導電率等性能較優，其特有的高柔韌性及長徑，也讓其具備作為鋰離子電池負極材料的潛能。
3、石墨烯在鋰電負極材料中的應用
鋰離子電池負極作為儲鋰主體，對電池的性能起到重要影響。是否具有良好的鋰離子傳輸通道和電子傳輸通道是斷定負極材料優劣性的重要依據。石墨烯既具備提供良好電子傳輸通道的能力，又有優異的鋰離子傳輸性能。石墨烯導電性能優異，其片層間距極小，僅為微納米量級，使得鋰離子的擴散路徑較短。同時，石墨烯和鋰離子的結合是在石墨烯的整個外表面進行，因此提升了傳輸性能。
不過，石墨烯直接作為鋰離子電池負極材料性能不穩定，存在一些缺點：單層石墨烯片層極易堆積，比表面積的減少使其喪失了部分高儲鋰空間；首次庫倫效率低；初期容量衰減快；電壓平臺及電壓滯后等。
石墨烯可與多種材料復合作為鋰離子電池負極，例如其與硅基、錫基納米顆粒材料復合時能起到互補作用，采用石墨烯包覆材料能更好的阻止納米顆粒的團聚，在結構上石墨烯的柔性和其納米層之間存在的間隙可在鋰離子電池的充放電過程中有效減緩材料的體積變化。石墨烯能通過增強硅納米材料的電子導電性來提高材料的充放電速率，其與SnO2復合后能降低石墨烯堆積程度，同時還能保持硅納米顆粒之間的間隙，加快鋰離子的擴散，進一步增加電池的充放電速率。通過材料復合，能使該電極材料容量得到很大提升，有實驗表明，在10A/g放電條件下其容量達到640mAh/g。此外通過石墨烯的吸附作用，該電極材料可有效降低循環后的容量損失，實驗表明，經過10A/g放電條件下200次循環后其容量保持率達到72%。
對于鋰電負極材料而言，過渡金屬氧化物或具有前景的硅基材料進行石墨烯摻雜后在比容量、電壓特性、內阻、充放電性能、循環性能、倍率性能等電化學性能方面表現出了優異的特性。將石墨烯和其他材料進行復合制作成石墨烯基復合負極材料成為現在鋰離子電池研究的熱點和鋰電負極材料發展的一個方向。
總之，石墨烯作為一種無能隙的半導體材料，其二維尺寸僅有百納米及數個微米，能極大縮減鋰離子遷移距離，具有高導電性、高比容量、高化學穩定性等優勢，且成本優勢較為明顯。但是石墨烯應用也面臨不少問題，比如石墨烯的規模化制備、大尺寸石墨烯的工藝創新、石墨烯的化學改性或改良、石墨烯復合材料的加工等都還存在一些困難。未來尋求一種環保、大規模的石墨烯制備方法，并進一步探究石墨烯材料的電化性能，在理論與實踐上都有重要意義，這將有助于深化石墨烯材料的應用，也能夠為鋰離子電池性能優化提供有效支撐。
參考來源：
1、王群.石墨烯——無限可能的神奇材料
2、董佳瑩.石墨烯制備及在鋰離子電池負極材料的應用
3、田曉鴻.石墨烯制備及其在新能源汽車鋰離子電池負極材料中的應用
4、柯佳含等.石墨烯在鋰離子電池中的應用
5、吉功濤.石墨烯及其復合材料在鋰離子電池負極材料中的應用
（中國粉體網編輯整理/文正）
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