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石墨烯和金屬
解決未來銅短缺問題
隨著全球電氣化程度的不斷提高，對(duì)金屬，尤其是銅的需求將在未來幾十年以一個(gè)數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)。另一方面，預(yù)計(jì)到2030年，銅短缺將達(dá)到1,000萬噸。
石墨烯旗艦關(guān)聯(lián)成員GraphMaTech(瑞典)旨在減少銅的需求，用石墨烯取代部分銅。與單獨(dú)使用銅相比，銅-石墨烯復(fù)合材料在硬度、楊氏模量和室溫抗拉強(qiáng)度等方面表現(xiàn)更好。此外，石墨烯填料保持了銅的機(jī)械性能，并減少了電遷移效應(yīng)（電遷移效應(yīng)可能導(dǎo)致電路失去連接或故障）。
“我們已經(jīng)開發(fā)出將石墨烯整合到金屬中的技術(shù)，目標(biāo)是改進(jìn)金屬 - 石墨烯復(fù)合材料。我們可以提高金屬材料的性能，這意味著在某些應(yīng)用中需要較少量的金屬。石墨烯旗艦合作伙伴Graphmatech AB的首席執(zhí)行官M(fèi)amoun Taher在由石墨烯創(chuàng)新旗艦工作包組織的“用石墨烯技術(shù)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型”網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上說：“我們正專注于電氣化應(yīng)用，我們也在考慮在未來的氫經(jīng)濟(jì)中使用與氫兼容的石墨烯金屬?gòu)南∮性氐教?/section>
幾個(gè)研究小組正在關(guān)注這個(gè)問題。2017年，石墨烯旗艦合作伙伴查爾姆斯理工大學(xué)（瑞典）的研究人員研究了14種不同金屬的主要應(yīng)用，并探索了如何用包括石墨烯在內(nèi)的碳納米材料代替它們。例如，石墨烯可以涂覆觸摸屏和其他顯示器，取代氧化銦錫。
石墨烯在太空中的應(yīng)用
來自石墨烯旗艦合作伙伴機(jī)構(gòu)Université Bruxelles(比利時(shí))、劍橋大學(xué)(英國(guó))、CNR Bologna(意大利)和Leonardo(意大利)的研究人員測(cè)試了一種用于循環(huán)熱管的石墨烯基泡沫的熱和物理性能，這種熱管是冷卻衛(wèi)星和航天器中的電子設(shè)備的傳熱裝置。冷卻效果是通過蒸發(fā)芯內(nèi)的流體來實(shí)現(xiàn)的，芯通常由多孔金屬制成。通過在燈芯上涂上石墨烯泡沫，研究人員的目標(biāo)是改善傳熱，因?yàn)槭┛梢源龠M(jìn)蒸發(fā)。這種泡沫還提高了燈芯的毛細(xì)管壓力，允許工作流體更快地通過回路熱管。2017年，該測(cè)試由歐洲航天局（ESA）和Novespace（法國(guó)）運(yùn)營(yíng)的拋物線飛行中進(jìn)行。
石墨烯和玻璃纖維石墨烯為玻璃纖維提供了許多新功能
瑞典的石墨烯旗艦關(guān)聯(lián)成員Grafren AB在開發(fā)玻璃纖維石墨烯涂層方面取得了進(jìn)展，這些涂層可用于多種用途，以獲得更輕的產(chǎn)品，提供EMI屏蔽并提高電氣，熱和機(jī)械性能。
與碳纖維相比，玻璃纖維在廣泛的選擇中提供了更低的成本，從用于航空航天應(yīng)用的高質(zhì)量樹脂注入層壓板到用于熱塑性塑料和注塑的短纖維。碳纖維和玻璃纖維都有各自的缺點(diǎn)。碳纖維非常昂貴，限制了它們只應(yīng)用于高端產(chǎn)品。它們也很脆，當(dāng)施加相當(dāng)?shù)偷臎_擊能量時(shí)可能會(huì)破裂。玻璃纖維具有較低的機(jī)械特性，較重，對(duì)溫度敏感且無電活性。
Grafren AB現(xiàn)在成功地采用了一種基于用石墨烯薄片直接涂覆玻璃纖維的方法，以改善玻璃纖維的性能。傳統(tǒng)的石墨烯涂料或粘合劑涂層方法不適用于玻璃纖維。石墨烯和玻璃纖維必須在納米級(jí)上集成，在纖維表面組裝和排列石墨烯薄片。“我們使用石墨烯薄片以獨(dú)特的方式涂覆玻璃纖維。由此產(chǎn)生的涂層類似于蛇皮，纖維表面排列著許多薄片并相互重疊，“石墨烯旗艦會(huì)員Grafren的首席執(zhí)行官Erik Khranovskyy解釋說。此前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用相同的方法成功地演示了輕質(zhì)柔軟的電子紡織品——導(dǎo)電織物的制造。
石墨烯涂層玻璃纖維vs裸玻璃纖維(圖源：Grafren AB)
“我們通過涂覆20多種類型、尺寸和編織幾何形狀的玻璃纖維來驗(yàn)證這種方法，精確控制涂層的均勻性和導(dǎo)電性。通過改變每根纖維上薄片涂層的厚度，我們能夠精確地調(diào)整玻璃纖維織物的薄片電阻，從1 MOhm/sq到10 Ohm/sq，“Grafren 的首席技術(shù)官 Mike Zhybak 說。
不同涂層厚度和各自不同導(dǎo)電性的石墨烯鍍膜玻璃纖維(圖源：Grafren AB)可控制的導(dǎo)電性為玻璃纖維增加了令人興奮的功能：例如，涂有石墨烯的獨(dú)立玻璃纖維層可以用作復(fù)合材料部件內(nèi)部的電線。當(dāng)應(yīng)用到車輛上時(shí)，這種材料可以傳輸?shù)碗娏餍盘?hào)，降低車輛的總重量，并消除了沉重而昂貴的銅線的使用。Khranovskyy指出：“石墨烯是一個(gè)完美的選擇，因?yàn)閺?fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度不會(huì)受到影響。”
其次，石墨烯涂層的玻璃纖維可以屏蔽電磁干擾(EMI)。Grafren觀察到在1 MHz-40 GHz頻率內(nèi)可控制的EMI屏蔽效率可達(dá)60 dB。該功能可能適用于電動(dòng)汽車的電池盒，由于成本較低，玻璃纖維優(yōu)于碳纖維。此外，目前金屬箱的重量在90公斤至160公斤之間，使其成為電動(dòng)汽車最重的部分，而石墨烯基復(fù)合材料可以將重量減輕30%至40%。
石墨烯導(dǎo)電性賦予玻璃纖維的另一個(gè)重要功能是焦耳熱——由于電流通過而產(chǎn)生熱量。這可以應(yīng)用于電動(dòng)汽車或飛機(jī)的內(nèi)部供暖，以及空中交通工具的除冰功能。
“雖然大型和民航飛機(jī)擁有相當(dāng)先進(jìn)的除冰系統(tǒng)，但小型飛機(jī)和無人機(jī)在冰凍條件下運(yùn)行往往具有挑戰(zhàn)性，”Grafren首席技術(shù)官M(fèi)ike Zhybak解釋說。“這就是Grafren 的解決方案可以發(fā)揮作用的地方。我們提供石墨烯涂層玻璃纖維，作為小型飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的頂層集成。
此外，根據(jù)Grafren的測(cè)試，玻璃纖維的導(dǎo)熱性在石墨烯涂層后提高了約100倍。此功能對(duì)于某些應(yīng)用非常理想，例如發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，在這些應(yīng)用中，必須通過復(fù)合結(jié)構(gòu)有效地去除多余的熱量。石墨烯的導(dǎo)熱性將熱量傳播到環(huán)境中。這是一項(xiàng)極其重要的功能，尤其是與EMI屏蔽結(jié)合使用時(shí)。
“裸露的玻璃纖維在1500°C的燃?xì)馊紵鼽c(diǎn)火下，6秒后熔化，而石墨烯涂層的玻璃纖維能夠承受120秒。簡(jiǎn)單地說，一個(gè)覆蓋著石墨烯涂層玻璃纖維的電池盒可以讓著火的電動(dòng)汽車上的乘客多出20倍的時(shí)間離開汽車——因此，存活的幾率也更高，”khranovsky興奮地說。
最后，玻璃纖維的石墨烯涂層對(duì)機(jī)械性能有積極影響：復(fù)合材料的抗沖擊性提高了200%。這有可能使使用玻璃纖維進(jìn)行沖擊能量阻尼的產(chǎn)品重量減半。“我們正在進(jìn)行最終測(cè)試，以創(chuàng)建明確的客戶價(jià)值主張，”Erik解釋道。
石墨烯和鈣鈦礦在光伏領(lǐng)域取得進(jìn)展
鈣鈦礦在吸收光子方面非常有效，光子可以轉(zhuǎn)化為電流，從而為太陽(yáng)能電池創(chuàng)造了一種令人興奮的硅替代品。由于硅太陽(yáng)能電池已達(dá)到其理論上的功率轉(zhuǎn)換效率極限，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池已成為低成本、輕量、靈活的光伏替代品。
盡管鈣鈦礦太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但隨著組件尺寸的增加和在室外條件下，其效率會(huì)迅速下降。空氣、濕度和受熱會(huì)降解鈣鈦礦，從而降低其優(yōu)勢(shì)。在這里，石墨烯可以提供幫助：它是疏水的，可以保護(hù)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池免受大氣降解。它還可以提高太陽(yáng)能電池的整體電氣性能。克里特島的第一個(gè)太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng)
石墨烯旗艦公司的能源生產(chǎn)工作包將石墨烯和相關(guān)材料結(jié)合到鈣鈦礦電池中，并達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的性能和穩(wěn)定性水平。該項(xiàng)目產(chǎn)生了第一個(gè)石墨烯鈣鈦礦太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng)。它被安裝在克里特島的戶外，峰值功率輸出為250w，可與商用60片硅太陽(yáng)能電池板相媲美。
該實(shí)驗(yàn)由石墨烯旗艦合作伙伴希臘地中海大學(xué)(希臘)、羅馬托爾韋爾加塔大學(xué)、BeDimensional S.p.A、Greatcell Solar Italia SRL、意大利理工學(xué)院和國(guó)家研究委員會(huì)(意大利)的研究人員進(jìn)行。
“我們證明，使用層狀材料，如石墨烯和二硫化鉬，可以改善鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的界面性能，不僅在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上，而且在實(shí)際條件下測(cè)試的大面積面板上，從而將技術(shù)準(zhǔn)備水平推到6-7左右的高值，”團(tuán)隊(duì)的主要成員之一，來自羅馬托爾韋爾加塔大學(xué)石墨烯旗艦合作伙伴的Aldo di Carlo在他們的成功結(jié)果后說。使產(chǎn)品更接近市場(chǎng)石墨烯旗艦先鋒項(xiàng)目GRAPES通過將平均能源成本降低到每兆瓦時(shí)20歐元以下，推動(dòng)太陽(yáng)能電池技術(shù)向前邁進(jìn)了一步。由意大利Enel Green Power公司領(lǐng)導(dǎo)的GRAPES團(tuán)隊(duì)旨在將鈣鈦礦電池的性能和穩(wěn)定性提高到創(chuàng)紀(jì)錄的水平，并使用石墨烯和層狀材料、鈣鈦礦和硅的堆疊層制造具有成本效益的光伏電池板。
參考資料
1. Arvidsson, Rickard, and Björn A. Sandén. "Carbon nanomaterials as potential substitutes for scarce metals." Journal of Cleaner Production 156 (2017): 253-261.
2. Weng, Zhichao, et al. "Wafer‐Scale Graphene Anodes Replace Indium Tin Oxide in Organic Light‐Emitting Diodes." Advanced Optical Materials 10.3 (2022): 2101675.
3. Pescetelli, Sara, et al. "Integration of two-dimensional materials-based perovskite solar panels into a stand-alone solar farm." Nature Energy (2022): 1-11. https://www.nature.com/articles/s41560-022-01035-4