“如果我們?nèi)珖哞F10%的電機，用上這種‘超級銅’材料，那我們可以一年節(jié)省出180多億度電，相當(dāng)于節(jié)省出一個葛洲壩電站。”

2月11的《焦點訪談》節(jié)目中，國家石墨烯創(chuàng)新中心主任、中科院寧波材料所研究院劉兆平對超級銅作出了以上評價。

超級銅是什么？相較于普通的銅有什么不一樣？

簡單而言，超級銅是金屬銅和石墨烯疊加而成的復(fù)合材料。加了石墨烯的銅，導(dǎo)電性能大大提升，而且不影響銅原本的機械性能。目前，導(dǎo)電性能最強的純金屬材料是“導(dǎo)電性能之王”銀。然而，據(jù)美國銅協(xié)會認(rèn)定，超級銅是目前室溫測到的最高電導(dǎo)率的金屬導(dǎo)電材料，比銀還要高出10%。

石墨烯+銅，為什么會誕生超級銅呢？

眾所周知，石墨烯被稱作“新材料之王”，具備超過的導(dǎo)電性、柔韌性、熱傳導(dǎo)性等等。石墨烯的載流子室溫遷移率大于150000C㎡/（V·S），為硅的100倍，理論電導(dǎo)率達(dá)10X10?S/m，

比銅（5.7X10?）和銀（6.3X10?）還高。石墨烯和銅結(jié)合，利用石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能，使得電子又多又快，實現(xiàn)了石墨烯和銅的優(yōu)勢互補。

那么，具備超高導(dǎo)電性能的超級銅有什么用處呢？

正如文章一開始提到的，最直接的一個功能便是省電。所以，超級銅也有另一個稱號——“超級充電線”。

以高鐵領(lǐng)域的應(yīng)用為例，目前，我國高鐵的時速為350公里，目前正在向400公里邁進(jìn)。而高鐵軌道上方都有用于輸電的接觸網(wǎng)導(dǎo)線，這根看似普通的導(dǎo)線，源源不斷地為高鐵提供電能。同時，由于高鐵用電量大、時速高，所以需要導(dǎo)電性能高、耐高溫、柔韌度和強度都極佳的導(dǎo)線。

2021年，中科院深圳先進(jìn)院副研究員王鑫在接受采訪時就曾表示：“我國高鐵時速馬上要達(dá)到400公里，這就需要升級版的‘超級導(dǎo)線’，我們覺得石墨烯+銅是很好的解決方案?！?/p>

除開高鐵，超級銅還可應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如工業(yè)驅(qū)動領(lǐng)域的電機、變壓器；新能源領(lǐng)域的汽車、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、核電；高端應(yīng)用領(lǐng)域的通訊和工控芯片；電力行業(yè)的電力電纜、電氣柜。

實際上，早在2021年，中車研究院就表示，其已初步搭建150噸的超級銅中試試驗線，形成“超級銅制造+計量檢測+裝備研制+終端應(yīng)用”的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)能力。此次《焦點訪談》節(jié)目中出現(xiàn)的“超級銅”，便由中車研究院與上海交通大學(xué)張荻團(tuán)隊聯(lián)合研發(fā)。

目前，超級銅已經(jīng)實現(xiàn)了小批量量產(chǎn)，大批量規(guī)?；a(chǎn)也將成為可能。同時，基于超級銅的優(yōu)異導(dǎo)電性，它將在未來廣泛應(yīng)用于各大基礎(chǔ)領(lǐng)域。更為重要的是，超級銅能大大提升了傳統(tǒng)金屬材料的導(dǎo)電率、降低了能耗，這也我國碳中和、碳達(dá)峰的目標(biāo)不謀而合，十分符合我國綠色清潔發(fā)展的需要。

基于以上，超級銅擔(dān)得起“超級”這一評價，它的意義將是革命性的。當(dāng)然，超級銅的誕生離不開一個關(guān)鍵性材料——石墨烯。

作為近些年最火的材料明星，石墨烯一直以來都被寄予厚望。如今，石墨烯已在涂料、醫(yī)療、制造等多個行業(yè)嶄露頭角。

此次的《焦點訪談》中，也重點介紹了以國家石墨烯創(chuàng)新中心為代表的一批國家制造業(yè)創(chuàng)新中心。2022年10月，國家石墨烯創(chuàng)新中心由工業(yè)和信息化部批復(fù)組建。而從2016年起，我國就開始創(chuàng)建國家制造業(yè)創(chuàng)新中心，其目的就是解決我國產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力不強的難題。2021年12月底，工信部發(fā)布《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，新材料產(chǎn)業(yè)也被列入其中，并被視作支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)和贏得國際競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵領(lǐng)域。

以上種種，都充分證明了國家政策方面對石墨烯的高度關(guān)注。目前的石墨烯市場，雖然涌現(xiàn)了一些新技術(shù)、新公司、新產(chǎn)品，但依舊處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的前期。究其原因，石墨烯產(chǎn)業(yè)投入成本高、投入周期長、風(fēng)險高，普通企業(yè)難以長期投入發(fā)展。國家政策層面的支持，也將為石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入強勁的動力。在企業(yè)、科研院所、創(chuàng)新平臺的協(xié)同作用下，石墨烯產(chǎn)業(yè)也將迎來如“超級銅”一般的技術(shù)突破。

石墨烯，在防腐涂料領(lǐng)域變得越來越重要。

11月11日，中建八局官方公眾號發(fā)布消息，吳明紅院士工作站和工程研究所研發(fā)的石墨烯橋梁結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)研發(fā)成功，并在青島的橋梁工程領(lǐng)域首次成功運用。

據(jù)介紹，此次建設(shè)的青島海洋活力區(qū)跨風(fēng)河新建橋梁工程–?？诼房顼L(fēng)河大橋，是國內(nèi)首座采用超大“A”字形鋼主塔豎向轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的橋梁。而在橋塔豎向轉(zhuǎn)軸的特殊位置，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對更復(fù)雜，受力也更集中，防腐要求也比較高。

新研發(fā)的石墨烯防腐涂層，很好地解決了以上痛點。

據(jù)悉，跨風(fēng)河新建橋梁工程研發(fā)團(tuán)隊用了2道80?μm的石墨烯防腐底，取代了此前的冷噴鋅封閉劑方案。石墨烯防腐底噴劑有兩個好處，一是涂覆厚度減少了一半，二是使用年限大大提高，增長了25%到50%。

石墨烯防腐涂層的成功運用，也是這次橋梁工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)突破點。眾所周知，工業(yè)生產(chǎn)中需要用到大量的金屬制品，但金屬制品大多存在腐蝕問題。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，每年因為腐蝕而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2到3萬億美元。更可怕的是，腐蝕也會帶來極大的健康和生命威脅?！吨袊g調(diào)查報告》指出，中國的腐蝕損失占GDP的5%，腐蝕還會引發(fā)過重大安全事故，造成人員傷亡等嚴(yán)重后果。

現(xiàn)有的金屬防腐技術(shù)，主要包括防腐蝕設(shè)計、緩沖劑防腐蝕技術(shù)、化學(xué)鍍和電鍍技術(shù)、電化學(xué)保護(hù)、防腐涂層技術(shù)。其中，通過在設(shè)備表面涂敷新材料形成防護(hù)膜是比較常用的防腐蝕技術(shù)。也有相關(guān)研究表示，在長期的實踐應(yīng)用中，涂層保護(hù)被證明是防腐操作簡單、防腐效果好的一種防護(hù)方法。

所以，如何借助新型涂敷材料更好地預(yù)防根治腐蝕生銹問題？也就成為了材料領(lǐng)域的研究重點。

目前而言，“新材料之王”石墨烯是一個十分不錯的運用方向。專業(yè)人士指出：“石墨烯是目前已發(fā)現(xiàn)的最輕、最薄、強度最高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性最好的納米級防腐新材料?！?/p>

石墨烯具有出色的化學(xué)惰性、抗氧化能力和阻隔性能。相較于更常見的冷噴鋅防腐，石墨烯防腐技術(shù)的綜合性能表現(xiàn)更好，具有良好的防腐、抗老化性能，耐鹽霧高達(dá)2000小時以上，僅100微米就能實現(xiàn)15～20年防腐。此外，石墨烯涂料更加綠色環(huán)保，符合節(jié)能減排、低碳發(fā)展的工業(yè)化發(fā)展趨勢。

去年8月，世界首座跨海高鐵大橋——福廈高鐵泉州灣跨海大橋，同樣采用了自主創(chuàng)新的“石墨烯重防腐涂裝體系”。建設(shè)之前，泉州灣跨海高鐵大橋的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100年，所以必須找到一種新材料，實現(xiàn)橋梁耐久防腐和減少維護(hù)的目標(biāo)。

最終，橋梁建設(shè)團(tuán)隊決定采用“石墨烯重防腐涂裝體系” 。該技術(shù)的防腐性能較傳統(tǒng)重防腐材料提高3倍以上，打破了國內(nèi)已建成橋梁25年的最長設(shè)計防護(hù)壽命，實現(xiàn)了30年超長防腐壽命的突破。

石墨烯重防腐涂裝體系，不僅增加了橋梁的使用壽命，減少了維護(hù)成本。更重要的是，石墨烯防腐涂料是我國自主研發(fā)的新一代防腐涂料發(fā)展方向，十分有利于打破國外涂料巨頭在重防腐涂料市場的壟斷。

石墨烯作為一種無毒無害的綠色環(huán)保材料，也十分符合涂料行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的發(fā)展訴求。

我國的防腐涂料市場，規(guī)模十分龐大。防腐涂料在大型工業(yè)、海洋工程、現(xiàn)代交通、石油石化、能源工業(yè)、市政設(shè)施等領(lǐng)域廣泛運用。2018年，我國防腐涂料產(chǎn)量近500萬噸，市場規(guī)模超過1900億元，高端防腐涂料主要被國外企業(yè)壟斷。而我國防腐涂料的市場規(guī)模依舊處于高速增長階段，尤其是建筑鋼構(gòu)重防腐涂料。

相關(guān)政策十分重視石墨烯在防腐涂料領(lǐng)域的運用，在工信部公布的《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2019年版)》中，石墨烯改性防腐涂料作為應(yīng)用于橋梁、鋼結(jié)構(gòu)、管道、儲罐、汽車的前沿新材料入選。

基于以上，石墨烯在防腐涂料領(lǐng)域具有廣闊的市場空間和發(fā)展機遇。

目前，石墨烯在防腐涂料領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。但在不久的將來，石墨烯改性防腐涂料將廣泛運用于橋梁、石化設(shè)施、儲罐、軌道交通、建筑鋼結(jié)構(gòu)、海工、風(fēng)電、汽車等領(lǐng)域，防腐涂料行業(yè)也將迎來一場新的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革命。

石墨烯電池、鋰電池、鉛酸電池，到底有什么區(qū)別？哪個更好？

先從一起案件說起。浙江溫州，消費者張女士花3000多買了一輛電動車，官方宣傳內(nèi)置石墨烯電池。結(jié)果張女士回家掃碼發(fā)現(xiàn)，車內(nèi)的電池并非石墨烯電池。張女士通過品牌官方和店家了解到，原來是店家私自把原裝石墨烯電池?fù)Q成了鉛酸電池。

店家表示，要想換回石墨烯電池需要額外付錢。最終，店家把商家告上法庭。經(jīng)法院審理，商家因涉及欺詐消費者，被判決“退一賠三”。

消費者利益得到保障，商家受到懲罰，這是一個十分圓滿的結(jié)果。但這起案件背后，還有一些問題值得思考。

問題一，商家為什么把石墨烯電池?fù)Q成鉛酸電池？

最直接的原因是便宜。目前的電動車市場上，有兩種主流電池，分別是鋰電池和鉛酸電池。相較于大眾熟知的鋰電池和鉛酸電池，石墨烯電池聽起來明顯更有科技感。在商家的宣傳中，石墨烯電池有諸多優(yōu)點，比如：充電更快、續(xù)航更長、壽命更長，每一點都完美擊中消費者的痛點，所以受到了不少青睞。

電池原材料的變化和電池性能的提升、加之商家的宣傳，都讓石墨烯電池的價格水漲船高?？蓡栴}在于，市場上的石墨烯電池，并非大眾理解的石墨烯電池。

提及石墨烯，大眾首先想到的是新一代材料之王、當(dāng)代黑金，兩位科學(xué)家因為發(fā)現(xiàn)石墨烯獲得諾貝爾獎。在這些光環(huán)的加持下，但凡商品跟石墨烯扯上點關(guān)系，都提升了幾個檔次。在一眾石墨烯商品中，石墨烯電池又是熱度最高的。石墨烯作為一種幾近完美的導(dǎo)熱材料和電導(dǎo)體，近幾年的確逐漸被應(yīng)用于電池領(lǐng)域，可它的實際效果卻被夸大許多。

所謂的石墨烯電池，并非真正的石墨烯電池！

教育部長江學(xué)者、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、天津大學(xué)化工學(xué)院教授楊全紅曾指出：“其實，稱這些電池為石墨烯電池并不十分科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)， 并且這個概念也不符合行業(yè)命名原則，非行業(yè)共識。”

目前的電池行業(yè)，一般遵循“正極—負(fù)極活性材料”的原則。比如我們常說的鋰電池，其全名為“鈷酸鋰–石墨電池”。為了方便推廣，以正極材料命名為鋰電池。而現(xiàn)有的石墨烯電池，并非以石墨烯為主要正極材料，而是和其他離子一起組成石墨烯某離子電池。在現(xiàn)有的電池技術(shù)中，石墨烯更多是發(fā)揮其導(dǎo)電功能和散熱功能，以添加劑和涂層的形式優(yōu)化鋰電池性能。

基于以上，石墨烯電池本就是個不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法。此外，也有專業(yè)人士指出：“不具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯用作鋰電負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化前景不樂觀，純石墨烯的充放電曲線與硬碳和活性炭材 料非常相似，還有首次循環(huán)庫侖效率低、沒有充放電平臺及循環(huán)穩(wěn)定性差的缺點。”

這也就意味著，純粹的石墨烯電池現(xiàn)階段并不存在。這主要是因為，石墨烯的成本和技術(shù)都無法適用市場需求。

《Nanowerk》相關(guān)文章指出：“石墨烯薄膜每平方米四萬五千至十萬美元，工業(yè)生產(chǎn)方法和成本正在限制石墨烯的實用性。其認(rèn)為，當(dāng)今世界生產(chǎn)的石墨烯質(zhì)量相當(dāng)差，并不非常適合大多數(shù)應(yīng)用?！?/p>

復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授盧紅斌在接受媒體采訪時表示，“目前，石墨烯的平均價格在每公斤1000元”。

相對高昂的價格和并不成熟的提取技術(shù)，都是石墨烯商業(yè)化之路上不可忽視的障礙。不過理論上看，石墨烯電池依舊前景光明。

目前，石墨烯在電池領(lǐng)域也有了一些新的研究進(jìn)展，比如，石墨烯的準(zhǔn)固態(tài)鋰?–?氧電池、石墨烯基三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)儲能電極材料、石墨烯應(yīng)用于準(zhǔn)固態(tài)可充電?N a – C O2?電池、石墨烯基復(fù)合電極在非對稱超級電容器上……

此外，石墨烯在商業(yè)市場的應(yīng)用也逐漸廣泛。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從2016年到2020年，我國導(dǎo)電劑用石墨烯市場規(guī)模從19億增長至139億元；石墨烯相關(guān)企業(yè)注冊量也從2015年的1003家增長至13422家。

同時，國家有關(guān)部門高度重視石墨烯行業(yè)的發(fā)展?！?span lang="EN-US">2021年工業(yè)化和信息化標(biāo)準(zhǔn)工作要點》中指出，要開展包括高端鋼鐵材料、航空發(fā)動機用高溫合金材料、石墨烯在內(nèi)的多種新材料和關(guān)鍵材料標(biāo)準(zhǔn)制定。

這種種都意味著，石墨烯的技術(shù)研究、商業(yè)化應(yīng)用都屬于蓬勃發(fā)展階段。相信在不遠(yuǎn)的未來，石墨烯電池也能從想象變?yōu)楝F(xiàn)實。

“冰益壯，地始坼?！?冬至剛剛過去，全國絕大部分地區(qū)都處于凜冽的寒冬時節(jié)，保暖也就成為了人們最重要的訴求。

市面上，各種新興取暖神器層出不窮，主打“石墨烯”概念的冬日神器更是火熱。電商平臺上，消費者可以便捷地買到石墨烯暖手寶、石墨烯電暖器、石墨烯電熱毯、石墨烯羽絨服等諸多產(chǎn)品。

然而，冠以“石墨烯”之名的過冬神器，真有這么神奇嗎？

先看一段關(guān)于石墨烯的介紹：“石墨烯(Graphene)是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料 。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料?！?span lang="EN-US">2010年，兩位科學(xué)家因為成功分離石墨烯獲得諾貝爾獎。

單從性能來看，石墨烯的確有優(yōu)化服裝性能的特性，可實際的保暖功效呢？前段時間，上觀新聞的記者采訪了東華大學(xué)紡織學(xué)院的教授兼博導(dǎo)王府梅。王教授表示：“如果衣服真的含有石墨烯，會迅速把人體的溫度向外部傳導(dǎo)，這能發(fā)揮保暖效果嗎？”不僅不保暖，還具有良好的散熱特性，這才是石墨烯保暖衣物的真相。不過，這也并不意味著石墨烯不能運用在保暖衣物中，前提是衣服得有一個熱源，通過通電等間接手段發(fā)熱，借由石墨烯快速傳導(dǎo)熱量，而不是直接由石墨烯發(fā)熱。

實際上，早在2018年平昌冬奧會的“北京8分鐘”中，石墨烯發(fā)熱服就曾亮相。當(dāng)時，主創(chuàng)團(tuán)隊為了讓演員在零下環(huán)境中，穿上暖和的衣服正常表演，特地利用石墨烯超高導(dǎo)熱系數(shù)的特性，研制出了超薄透明的石墨烯電熱薄膜技術(shù)。據(jù)介紹，該款石墨烯演出服能夠在低溫下智能發(fā)熱保溫。相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，這款發(fā)熱服不僅要有發(fā)熱功能，還要保證材料的安全、電池的續(xù)航能力和服飾的舒適度。同樣，今年年初的北京冬奧會中，頒獎服同樣采用了石墨烯發(fā)熱技術(shù)。由此可見，一款合格的石墨烯發(fā)熱服有著極高的標(biāo)準(zhǔn)，市面上大多石墨烯保暖衣服僅僅處于“概念”階段。

除開導(dǎo)熱功能，石墨烯在紡織行業(yè)還有很多優(yōu)異的性能有待開發(fā)應(yīng)用。

其一，抗靜電性能。由于石墨烯具備良好的導(dǎo)電性能，所以可以加速紡織物表面的電荷消散，從而達(dá)到抗靜電效果；其二，防紫外線性能，石墨烯具備獨特的光學(xué)特性，如與波無關(guān)的光吸收，能夠提高其改性織物的防紫外線性能；其三，抗菌性能，石墨烯具備良好的生物相容性，抗菌能力強，無毒無害。除開以上常見性能，石墨烯改性織物還具備防彈性能、電磁屏蔽性能等等，以上可用于特殊行業(yè)的織物應(yīng)用。

除開以上，石墨烯改性織物還有一個巨大的優(yōu)點，那就是安全環(huán)保、易分解。紡織行業(yè)的廢水污染一直是老大難問題，而且嚴(yán)重威脅人類的長期發(fā)展。而石墨烯可以助力有機染料形成無毒分子，石墨烯良好的光催化效果也可以很好地降解紡織廢水和染料。

基于以上性能，石墨烯終將引領(lǐng)紡織行業(yè)新一輪的“材料革命”。不過目前，真正的石墨烯紡織材料依舊較少。主要原因在于，一是石墨烯價格高昂，生產(chǎn)成本高；二是大眾對石墨烯織物的接受度和認(rèn)可度并不高，目前的石墨烯相關(guān)產(chǎn)品依舊屬于炒概念的階段，并沒有真正引起大眾對石墨烯功能材料的認(rèn)可。不過，隨著石墨烯原材料制備的發(fā)展，石墨烯材料終將引領(lǐng)高端紡織材料的一次大發(fā)展和大革新。

借用國科學(xué)院院士、北京石墨烯研究院院長的一段話：“對于石墨烯材料來說，理想與現(xiàn)實之間還有一道鴻溝，需要花大氣力去彌補、去跨越這道鴻溝。石墨烯材料必須找到它真正的’殺手锏’級的用途。把石墨烯作為添加劑去改善性能，這談不上是’殺手锏’級的用途。真正的’殺手锏’級的用途其實會帶來傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級換代，甚至創(chuàng)造全新的產(chǎn)業(yè)。”

最后，希望在不遠(yuǎn)的未來，石墨烯能在紡織、能源、農(nóng)業(yè)、光電、生物醫(yī)藥、航空航天等諸多領(lǐng)域，綻放出其作為“新材料之王”全部的光輝。

研究背景

自計算機在上世紀(jì)70年代接上網(wǎng)絡(luò)以來，計算機的研發(fā)人員一直在努力獲取計算機新的知識，發(fā)現(xiàn)新的事實和理論，開發(fā)計算機新的功能，造福于人類。這就是開發(fā)人工智能（AI）的起源，目的是讓機器實現(xiàn)類似人類的智能。安德烈·蓋姆（Andre Geim）等人于2004年發(fā)現(xiàn)了石墨烯，引起了人們對二維材料的極大興趣，進(jìn)而促進(jìn)其他二維材料（如金屬硫族化物、過渡金屬氧化物）不同程度的發(fā)展。石墨烯是二維材料中穩(wěn)定性最高的，也有極高的導(dǎo)電性，超輕的質(zhì)量。它具有2D結(jié)構(gòu)，其中sp2鍵合碳原子排列在蜂窩或六角形晶格中。而石墨烯也不負(fù)眾望，經(jīng)過十幾年的研究開發(fā)，石墨烯已成為21世紀(jì)的“新材料之王”。

成果簡介

近日，清華大學(xué)朱宏偉教授和他的團(tuán)隊在Advanced Intelligent Systems上發(fā)表了題為“Recent Advances of Graphene and Related Materials in Artificial Intelligence”的論文。該團(tuán)隊重點綜述了石墨烯等材料在機器學(xué)習(xí)和神經(jīng)形態(tài)器件等方面的最新研究進(jìn)展，主要闡述了基于石墨烯的人工突觸的兩種構(gòu)建方法和基本原理，介紹了石墨烯基晶體管和憶阻器的最新進(jìn)展，最后分析了石墨烯材料在人工智能應(yīng)用中存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)。

研究亮點

（1）石墨烯材料的基本概念和原理，AI，ML（機器學(xué)習(xí)）和AS（人工突觸）;

（2）ML在石墨烯材料性能預(yù)測、結(jié)構(gòu)識別、逆向設(shè)計、任務(wù)識別中的應(yīng)用;

（3）石墨烯基晶體管和憶阻器在AS中的應(yīng)用;

（4）石墨烯結(jié)合AI的總結(jié)和展望。

圖文導(dǎo)讀

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是一種模擬生物大腦的計算網(wǎng)絡(luò)，由三個基本層（一個輸入層，一個或兩個隱藏層和一個輸出層）組成。隨著數(shù)據(jù)規(guī)模、多樣性和不確定性的快速增長，ANN被進(jìn)一步開發(fā)以引入一些模型，例如多層感知器（MLP）或深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN），卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和深度置信網(wǎng)絡(luò)（DBN），從而生成ML的新分支（深度學(xué)習(xí)，DL）。深度學(xué)習(xí)模型使用大量的隱藏層，每層由數(shù)百個神經(jīng)元組成。

圖1.?深度學(xué)習(xí)模型

大量的神經(jīng)元和突觸負(fù)責(zé)人腦中的信息處理，神經(jīng)元作為電和化學(xué)信號接收，處理和傳輸信息，而突觸同時存儲和處理信息。由大量神經(jīng)元層組成的?DNN?是當(dāng)今實際應(yīng)用的最佳選擇（圖2a）。隨著Ca2+的細(xì)胞內(nèi)中心增加，STP被觸發(fā)以促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。一旦濃度達(dá)到閾值，就會觸發(fā)LTP以增強原代α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異噁唑丙酸（AMPA）受體的通透性或在突觸后膜中招募新的AMPA受體，并產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)以形成新的突觸（圖3b）。長期和短期可塑性由相應(yīng)的PSC反映（圖3c）。

圖2、圖3.?人工突觸

圖4.?電子特性

電子特性對于理解納米級的復(fù)雜結(jié)構(gòu)–功能關(guān)系至關(guān)重要，特別是對于2D材料。通過DFT計算具有任意濃度和構(gòu)型的摻雜石墨烯的帶隙，作為訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)集。2D矩陣被定義為材料描述符，以定量捕獲不同配置狀態(tài)的特征。結(jié)構(gòu)和帶隙的QSPR由訓(xùn)練有素的CNN構(gòu)建，其預(yù)測精度高于90%。

圖5.?機械性能

石墨烯及其復(fù)合材料的機械響應(yīng)對其應(yīng)用至關(guān)重要。石墨烯及其復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用中的另一個基本挑戰(zhàn)是斷裂機理，其中裂紋增長行為對納米級的材料設(shè)計很有價值。A. Tabarraei等人提出了一個包含CNN和雙向遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Bi-RNN）的ML模型，以預(yù)測多晶石墨烯片中的斷裂演變。

圖6.?熱性能

石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)在室溫下可達(dá)5000 W m?1?K?1，電子遷移率高達(dá)2.5×105?cm2?V?1?s，使石墨烯及其復(fù)合材料在電子器件中的熱界面材料前景廣闊。Xu等人開發(fā)了物理告知像素值（PIPV）矩陣（指紋）來捕獲堆疊石墨烯片（I）的幾何特征。經(jīng)過訓(xùn)練的DNN準(zhǔn)確地預(yù)測了堆疊石墨烯片（V，IV）的導(dǎo)熱性。構(gòu)建了一個全面的數(shù)據(jù)庫，用于存儲堆疊石墨烯片的幾何特征及其相應(yīng)的導(dǎo)熱性（VI），提供加速搜索工具來指導(dǎo)堆疊石墨烯片的設(shè)計。

圖7.?原子結(jié)構(gòu)

由于缺陷位置與熱振動特征相關(guān)聯(lián)，G. X. Gu等人通過MD仿真計算的數(shù)以萬計的熱振動地形圖來訓(xùn)練kRR模型，發(fā)現(xiàn)了缺陷位置與熱振動特征之間的隱藏相關(guān)性?；诓煌幕締挝唬ㄔ又笖?shù)、域離散化）開發(fā)了兩種類似的預(yù)測策略。基于原子的方法用于檢測單個原子空位，而基于域的方法可以檢測未知數(shù)量的多個空位，最高可達(dá)原子精度。

圖8.?化學(xué)品識別

在關(guān)于客觀評估護(hù)膚品熱屬性（涼爽度和濕潤度）的案例研究中，基于石墨烯復(fù)合材料的傳感器可以監(jiān)測由所應(yīng)用的護(hù)膚品（i）引起的時間電阻變化。通過回歸分析處理電阻中時間變化的數(shù)據(jù)，以生成變量（輸入）和相應(yīng)的分?jǐn)?shù)（輸出），用作ML（ii，iii）的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。然后使用經(jīng)過訓(xùn)練的極端梯度提升（XGBoost）模型來評估有關(guān)護(hù)膚品（iv）的涼爽度和濕度的分?jǐn)?shù)。

從電子鼻的概念中學(xué)習(xí)，L. Lin等人報告了一種使用單個石墨烯FET（GFET）和ML模型實現(xiàn)氣體識別的新型氣體傳感方案。記錄GFET的氣體檢測電導(dǎo)率曲線并將其解耦為四種獨特的物理性質(zhì)（圖9b），即作為4D輸出向量投影到特征空間上。檢測到的氣體和相應(yīng)的4D輸出向量使用MLP分類器進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后可用于高精度地對水，甲醇和乙醇蒸氣進(jìn)行分類。

圖9.?運動識別

基于石墨烯的傳感器與ML系統(tǒng)相結(jié)合，已被廣泛用作運動識別應(yīng)用的可穿戴HMI系統(tǒng)。如圖9所示，S.O. Kim等人將大面積壓力傳感器陣列與ML算法相結(jié)合，構(gòu)建了基于智能座墊的姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。石墨烯-MXene混合器件被用作壓阻式壓力傳感器的傳感材料，具有低滯后和寬感應(yīng)范圍。大面積壓力傳感器陣列集成在座墊中，用于醫(yī)療保健監(jiān)控。針對不同的坐姿，在每個像素上實時監(jiān)控阻力的變化。RF和ANN模型使用收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，以高精度區(qū)分6種坐姿。使用測量的肌電圖數(shù)據(jù)訓(xùn)練的ML算法（CNN，kNN）成功檢測7類手指運動，準(zhǔn)確率為≈99%。

總結(jié)與展望

已經(jīng)提出了兩種策略，包括ML（軟件）和NC（AS和人工神經(jīng)元）（硬件），用以模仿生物大腦的功能，能有效地執(zhí)行非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的實時處理。由于受制備和試驗條件影響的石墨烯的實際電子、機械和熱性能遠(yuǎn)低于其理論性能，因此將ML與實驗結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行實際性能預(yù)測在未來研究中具有重要意義。然而，預(yù)測范圍和準(zhǔn)確性是有限的，只考慮了少數(shù)精度有限的場景。此外，通過石墨烯光電探測器陣列實現(xiàn)的3D成像也很有吸引力，應(yīng)該進(jìn)行更多的研究。

突觸石墨烯晶體管可以執(zhí)行并發(fā)學(xué)習(xí)，在不中斷信號傳輸過程的情況下更新突觸重量。然而，這些晶體管仍存在許多缺點：1）開/關(guān)比低;2）保留時間短，表示內(nèi)存有限;3）器件尺寸大，不適用于需要十多個晶體管來模擬一個突觸的大面積集成;4）能耗高，遠(yuǎn)高于生物突觸。

總之，采用石墨烯的AI在“軟件”（深度學(xué)習(xí)模型）和“硬件”（神經(jīng)形態(tài)器件，如人工突觸和人工神經(jīng)元）方面都取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，但要在未來實現(xiàn)真正的AI，還有很多工作要做。

文獻(xiàn)鏈接

Recent Advances of Graphene and Related Materials in Artificial Intelligence

Meirong Huang, Zechen Li, Hongwei Zhu*

Advanced Intelligent Systems

DOI: 10.1002/aisy.202200077

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202200077

研究背景

自1990年代商業(yè)化以來，鋰離子電池(LIB)已成為我們生活中不可或缺的一部分。2010年LIB在電動汽車中的應(yīng)用推動了LIB的巨大發(fā)展，但同時也增加了廢舊鋰離子電池的量。圖1顯示了到2030年廢舊鋰離子電池的數(shù)量預(yù)測。

圖 1、預(yù)測到2030年波蘭的廢LIB質(zhì)量柱狀圖；所需的收集率在圖表上顯示為紅色曲線。

預(yù)測表明，僅在2021年的波蘭，廢鋰離子電池的質(zhì)量就可能超過1600噸，而到2030年，將有大約1000噸。由于其包含各種化學(xué)物質(zhì)，廢鋰離子電池通常被歸類為危險廢物，需要適當(dāng)?shù)奶幚?。否則，重金屬和LIB的其他成分會對健康產(chǎn)生巨大影響。目前從廢舊鋰離子電池正極中回收貴金屬十分常見，而對碳芯的回收利用卻鮮有報道。

成果簡介

近日，波蘭華沙大學(xué)Magdalena Osial和Agnieszka D?browska教授在Phys Status Solidi B Basic Solid State Physics上發(fā)表了題為“Battery Powder as a Source of Novel Graphene Nanocarbons”的論文。該工作重點研究了廢LIBs粉末的性質(zhì)，該廢LIBs粉末在通過有機浸出工藝處理后，是具有獨特結(jié)構(gòu)的納米碳的來源。拉曼光譜用于石墨碳的表征。通過對掃描電子顯微鏡圖像進(jìn)行數(shù)值定量分析，獲得了有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)，并通過X射線衍射（XRD）和能量色散X射線光譜（EDS）進(jìn)一步檢查了其成分。

研究亮點

（1）這項工作使用浸出后的廢鋰離子電池粉末合成石墨烯納米碳；

（2）此外，采用酸浸法處理電池廢棄物，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、產(chǎn)品純度高、選擇性高、回收率高、能耗低等優(yōu)點；

圖文導(dǎo)讀

電池首先進(jìn)行破碎以將金屬與塑料分離。然后，將負(fù)極和正極分開。最后，電極用酸和還原劑處理。甲酸作為漂白劑，戊二酸和過氧化氫被用作還原劑。

廢電池組件機械分離后的第一步是礦化過程。包含正極和負(fù)極的0.5?g廢電池粉末用10.0?mL的65% HNO₃處理約5?h，溫度約120?°C。然后，將所得溶液蒸發(fā)至約0.5?mL，定量轉(zhuǎn)移至塑料容器中，并補充去離子水至50?g。最后，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)測定溶液中的金屬濃度。

表1、樣品1-3的浸出劑

其次，將所得粉末用以下試劑處理：樣品1用5.0?m甲酸CH₂O₂處理，樣品2用5.0?m甲酸和過氧化氫H₂O₂處理，樣品3用甲酸和過氧化氫處理，同時加入5 g戊二酸C₅H₈O₄粉末。有機酸和H₂O₂用作酸性介質(zhì)中金屬回收的還原劑。

將廢電池粉末加熱到約90?°C保持約2?h，其中殘留物以約500?rpm的速率持續(xù)攪拌。處理后，用去離子水清洗廢電池粉末以去除浸出劑，并在通風(fēng)櫥50°C下干燥。圖2為樣品3的電池粉末浸出過程示意圖。

圖 2、樣品3殘渣的浸出過程示意圖。

使用ICP-OES研究從浸出過程中獲得的溶液，以獲得特定元素的量。圖3顯示了在浸出后溶液中發(fā)現(xiàn)的七種金屬的回收率。

圖 3、酸性還原浸出后溶液中的金屬回收率。

金屬的回收率根據(jù)公式(1)計算

式中，Me_in為浸出前電池粉末中測試金屬離子的濃度[mg?kg^?1]；Me_ls是浸出后溶液中測試金屬離子的濃度[mg?kg^?1]。電池粉末浸出的結(jié)果以測試金屬的百分比回收率表示。

對于樣品1，Cu、Fe和Zn的回收率最高，而Co和Cr回收率較低（圖3）。盡管沒有從電池廢料中將金屬完全回收，但甲酸的應(yīng)用取得了優(yōu)異的效果。接下來，在相同的甲酸含量下浸出樣品2，同時另外使用過氧化氫作為還原劑。然而，金屬的回收率遠(yuǎn)低于樣品1。銅和鐵的回收率下降了50%。但添加了戊二酸后，反而進(jìn)一步提高了回收效率。使用這兩種還原劑可以回收最高含量的Co、Cr、Cu、Fe、Li、Mo甚至Zn。根據(jù)這些結(jié)果，可以看出，未浸出的電池粉末主要成分主要包含鈷、鋰和鎳。

對浸出后的粉末進(jìn)行了拉曼光譜分析。所有樣品都顯示出石墨碳的信號，其中D峰/G峰的強度比代表缺陷程度。G/D比增加表明該碳材料具有更好的結(jié)構(gòu)有序性、更少的缺陷。圖4顯示，平均而言，缺陷按以下順序增加：S3<S1<S2。樣品S2呈現(xiàn)出許多類似石墨烯的薄片，但同時也呈現(xiàn)出金屬氧化物成分和缺陷。最均勻的是樣品3。樣品1具有局部結(jié)構(gòu)良好的晶粒。

圖 4、樣品的拉曼光譜：a)1、b)2和c)3。

用SEM研究浸出后產(chǎn)物的形態(tài)。所有樣品都顯示出類似石墨烯的結(jié)構(gòu)。LIB中構(gòu)成電極的材料主要由填充有電解質(zhì)的石墨碳制成。如圖5所示，樣品的形貌類似于具有不同形狀和大小的顆粒，而每個樣品均由片狀結(jié)構(gòu)組成。每個浸出后樣品在宏觀尺度上的形態(tài)相似，而在微觀尺度上它們差別很大。這是由于有的石墨片狀粉末形成球狀結(jié)構(gòu)。

圖 5、低和高放大倍數(shù)下，a,d)樣品1、b,e)樣品2和c,f)樣品3的SEM圖像。

對SEM圖像進(jìn)行數(shù)值分析以獲得定量的表征。圖6顯示，在樣品1-3中，材料中碎片的平均晶粒尺寸分別為≈60、≈90和≈40nm。

圖 6、a,b)樣品2的直方圖顯示比c,d)樣品3更均勻的結(jié)構(gòu)。

此外，樣品中特定元素的分布如圖7所示，其中a-c列分別對應(yīng)于樣品1-3。樣品中存在的氧主要與鈷相關(guān)，這表明樣品中的氧化鈷可能是LiCoO₂浸出后的產(chǎn)物。

圖 7、a)樣品1、b)樣品2和c)樣品3的EDS圖

圖 8、樣品1-3的a)XRD圖案和b)TGA曲線

圖8a的XRD圖像顯示，樣品1-3中存在氧化鈷。粉末圖案與LiCoO₂和Co₃O₄相匹配。樣品3中19°處的峰可歸因于LiCoO₂(003)面，而37°和45°處的峰可歸因于(101)和(104)面。此外，這些峰也可能對應(yīng)Co₃O₄的(111)、(311)和(400)面。27°處的最強特征峰可歸因于碳的(002)面。50°和55°處的峰與石墨碳的(102)和(104)面有關(guān)。樣品中77°和84.2°處的峰對應(yīng)碳的(110)和(112)面，表明浸出產(chǎn)物主要包含碳，即石墨和一些微量的氧化鈷。圖8b的熱重分析（TGA）顯示，樣品3的質(zhì)量損失最高，對應(yīng)于碳的氧化。樣品1和2的質(zhì)量損失較低可能與樣品中較高的金屬氧化物含量相關(guān)。

總結(jié)與展望

盡管所有測試材料都可以獲得納米碳，但它們在形態(tài)和結(jié)構(gòu)有序度方面表現(xiàn)出差異。拉曼光譜顯示所有樣品都含有不同的類石墨烯和石墨形式的納米碳。在樣品2中，出現(xiàn)了大量其他的化合物。EDS和XRD分析也證實了一些氧化鈷或鈷酸鋰的存在，而樣品中更有可能形成Co₃O₄。樣品3的XRD數(shù)據(jù)表明LiCoO₂是主要的Co相?；诜宓膹姸?，Co₃O₄在樣品1、2中占主導(dǎo)地位。所有結(jié)果都證實形成了高度結(jié)構(gòu)化的碳（S3>S1>S2），并且粉末中薄片的表面有利于它們作為吸附劑?？傊?，這項研究表明廢電池有望成為類石墨烯催化納米材料的來源。

文獻(xiàn)鏈接

Battery Powder as a Source of Novel Graphene Nanocarbons.(Phys Status Solidi B Basic Solid State Physics,2022, DOI:10.1002/pssb.202100588)

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/pssb.202100588

石墨烯醫(yī)療引領(lǐng)下一代醫(yī)療革命

“19世紀(jì)是鐵器的時代，20世紀(jì)是硅的時代，21世紀(jì)是碳的時代。”

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，通過將薄片的兩面年在膠帶上，不斷地撕開膠帶，最終得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，打開了石墨烯的大門。

而現(xiàn)在，我們正在進(jìn)入石墨烯時代。石墨烯（Graphene）是一種以sp2 雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，不僅在電子產(chǎn)品、電池、導(dǎo)熱散熱、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在醫(yī)療科技領(lǐng)域也將引領(lǐng)新的革命。

醫(yī)療科技正面臨著轉(zhuǎn)型期，機遇與挑戰(zhàn)接踵而來。而石墨烯與醫(yī)療的結(jié)合正成為一種快速崛起的新材料醫(yī)療科技，快速打開新的醫(yī)療市場，為我國搶占醫(yī)療科技新賽道賦能。石墨烯具有大的比表面積、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性及生物相容性，在藥物傳送、生物傳感、癌癥治療、臨床醫(yī)療等方面發(fā)揮重要作用，被視為引發(fā)下一代醫(yī)療革命的關(guān)鍵技術(shù)。

石墨烯醫(yī)療在學(xué)術(shù)前沿研究遍地開花

2020年，石墨烯無創(chuàng)治療腫瘤研究被美國前沿醫(yī)療學(xué)術(shù)期刊《AdvancedTherapeutics》以封面論文形式發(fā)表；2022年，石墨烯熱療+藥物化療協(xié)同治療腫瘤研究再次取得突破，被國際醫(yī)療期刊《Macromolecular Bioscience》（大分子生物科學(xué)）收錄。

近日，捷克奧洛穆茨大學(xué)的科研團(tuán)隊宣布利用石墨烯研制出了世界上最小的金屬磁鐵，可以應(yīng)用于核磁共振成像、水處理、生物化學(xué)和電子等多個領(lǐng)域。

南京醫(yī)科大學(xué)腫瘤實驗室發(fā)現(xiàn)“石墨烯器件發(fā)射的遠(yuǎn)紅外波具有明顯的誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的能力，可顯著抑制三陰性乳腺癌細(xì)胞在裸鼠體內(nèi)的惡性增殖及轉(zhuǎn)移”，該項技術(shù)被美國生物醫(yī)學(xué)頂級期刊《先進(jìn)醫(yī)療》作為封面論文發(fā)表，推動腫瘤治療邁向無創(chuàng)、低副作用、低成本，這將極大地滿足患者的需求，具有巨大的市場前景。

清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊將石墨烯帶進(jìn)元宇宙，研發(fā)出一款可集成眼動交互和觸覺感知的協(xié)同界面，實現(xiàn)了快速準(zhǔn)確的3D 人機交互。該技術(shù)通過采集眼電圖作為人機交互界面，通過眼球的運動實現(xiàn)無接觸式、快速和便捷的沉浸式人機交互，為存在運動障礙或肌肉障礙的人群帶來福音，使其通過轉(zhuǎn)動眼球即可控制輪椅的前后左右移動。

英國劍橋大學(xué)材料科學(xué)系獨立出來的一家石墨烯電子設(shè)備供應(yīng)商Paragraf正研發(fā)石墨烯生物傳感器——GBS系列，有望實現(xiàn)幾分鐘內(nèi)完成幾種不同常見疾病的檢測，加快一線醫(yī)院的檢測速率，為患者提供精確及時的診療方案，作用于臨床醫(yī)學(xué)、獸醫(yī)等領(lǐng)域。

今年1月份，英國劍橋大學(xué)研究人員通過將石墨烯電極植入小鼠腦部直接與神經(jīng)元連接，從而發(fā)現(xiàn)了利用石墨烯材料制造的電極能安全地與腦部神經(jīng)元連接，且這些神經(jīng)元可正常將腦電波信號傳遞給外界，使得外界了解腦部活動并修復(fù)感知功能。這項技術(shù)可用于修復(fù)截肢、癱瘓，甚至帕金森氏癥患者的感知功能，協(xié)助他們更好地康復(fù)。

石墨烯醫(yī)療應(yīng)用前景可望

《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》提出要探索推進(jìn)可穿戴設(shè)備和健康醫(yī)療移動應(yīng)用服務(wù)等發(fā)展，而石墨烯醫(yī)療器械的出現(xiàn)將在基層醫(yī)療中發(fā)揮獨特優(yōu)勢，接老百姓多層次、多元化的醫(yī)療服務(wù)需求，使得醫(yī)療科技領(lǐng)域成功轉(zhuǎn)型。目前，利用石墨烯作為傳感器進(jìn)行體外疾病的檢測已得到臨床實現(xiàn)論證。

上海交通大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院副院長崔大祥在《第一財經(jīng)日報》專訪中提出，他所在的團(tuán)隊已開發(fā)出通過呼氣來檢測胃癌的傳感器，將進(jìn)一步研究肺癌和其他腫瘤的檢測。而在藥物遞送載體、腫瘤治療、抗菌殺菌、人工植入設(shè)備等體內(nèi)治療方面，也具有巨大的深挖與探索空間。

在市場巨大的需求牽引下，繼續(xù)探索石墨烯醫(yī)療新戰(zhàn)略，才能在醫(yī)療科技新賽道乘風(fēng)而起，率先起航！

儲能技術(shù)是能源系統(tǒng)的“總控”

雙碳戰(zhàn)略背景下，減碳減排成為經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及維護(hù)全球生態(tài)系統(tǒng)的良策。由于傳統(tǒng)能源的總量不足，各國大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電為代表的新能源，但這類新能源因其自身局限具有不穩(wěn)定性的問題，無法保障大規(guī)模接入電網(wǎng)及供電的持續(xù)性。為了解決這一困境，儲能技術(shù)應(yīng)運而生，極大提升可再生能源利用率，成為智能電網(wǎng)及能源互聯(lián)網(wǎng)的中樞和“總控室”

儲能系統(tǒng)包括熱能、動能、電能、電磁能、化學(xué)能等能量的存儲，其研究、開發(fā)與應(yīng)用主要是以儲存熱能、電能為主，廣泛應(yīng)用于太陽能及風(fēng)能的利用，通過把一段時期內(nèi)暫時不用的多余能量通過某種方式收集并儲存起來，在使用高峰時或者運往能量緊缺的地方時再進(jìn)行輸出使用，利用這種能量存儲的方法實現(xiàn)電力的“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收，廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領(lǐng)域。儲能系統(tǒng)由電池、電器元件、機械支撐、熱管理、能源管理系統(tǒng)等等組成，電池壽命在當(dāng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，而決定電池使用壽命的關(guān)鍵在于儲能材料。為了創(chuàng)新儲能材料，提升鋰電池和超級電容器的能量密度、循環(huán)性、安全性等性能，需要在正極材料上進(jìn)行技術(shù)變革以及進(jìn)一步對負(fù)極材料開展研究。石墨烯因其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和物理性能，被視為理想的儲能材料，是提供鋰電池容量以及超級電容器能力密度的創(chuàng)新技術(shù)路線。

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石墨烯作為理想儲能材料的創(chuàng)新應(yīng)用

石墨烯的出現(xiàn)正釋放出在能源領(lǐng)域應(yīng)用的無限可能，邁向更綠色、高效、可持續(xù)發(fā)展的未來。石墨烯因其較大的比表面積、良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，一躍成為新型材料的榜首，在能源領(lǐng)域也是鋰電池和超級電容器的熱門材料，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。石墨烯在鋰電池中的應(yīng)用包括三個方面，一是石墨烯復(fù)合電極材料，二是導(dǎo)電添加劑，三是石墨烯功能涂層。石墨烯基鋰離子電池即可應(yīng)用于分布式基站，也可應(yīng)用于無人機和燃料電池車，破解高溫極端環(huán)境下的續(xù)航及安全難題。石墨烯超級電容器是一種特殊的電容器，在能量儲存和釋放過程中擁有比同類產(chǎn)品更高的優(yōu)秀導(dǎo)電性和比表面積，即能夠為智能設(shè)備、柔性電子屏、可折疊手機等智能可穿戴設(shè)備，也能應(yīng)用于電動車等交通運輸領(lǐng)域。

石墨烯目前已應(yīng)用于多個行業(yè)，其中最顯著的是醫(yī)療保健和關(guān)鍵材料領(lǐng)域。據(jù)研究報告顯示，在未來5年內(nèi)，太陽能的發(fā)展將逐漸走向成熟，全球可再生電力供應(yīng)量可能增長50%。希臘建立起世界上第一個應(yīng)用石墨烯的太陽能農(nóng)場，探索石墨烯太陽能電池的生產(chǎn)，推動歐盟減少對化石燃料的依賴。同時，更有不少研究者加快研發(fā)大規(guī)模生產(chǎn)硅基石墨烯鋰離子電池的技術(shù)，優(yōu)化石墨烯在電池中的應(yīng)用，增加在電動汽車、移動電話、筆記本電腦等電子產(chǎn)品中的電池壽命和充電時間，改善消費者使用體驗。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，石墨烯在儲能領(lǐng)域?qū)⒔怄i更多應(yīng)用場景。

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石墨烯未來發(fā)展走向低成本與規(guī)模化

隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)的飛快發(fā)展，眾多企業(yè)紛紛投身于開發(fā)石墨資源的熱潮，國家也出臺了大量政策作為支撐，石墨烯加工技術(shù)不斷突破，石墨烯被認(rèn)為是會對未來產(chǎn)生“顛覆性”影響的新材料之王。但石墨烯材料受限于原材料和制備工藝，成本較高，導(dǎo)致市場價格較高。目前，氣相合成法、氧化還原法和液相分離法等被視為石墨烯規(guī)?；苽涞闹匾椒ǎ源嬖谥苽湫始爱a(chǎn)率低的問題。同時，在實際應(yīng)用中，天然石墨的結(jié)構(gòu)特性不及人造石墨，不利于鋰離子電池的電極制造。

面對石墨烯日漸增高的市場需求，未來發(fā)展低成本，規(guī)模化、連續(xù)性的石墨烯制備技術(shù)，增加對人造石墨的研發(fā)是可行之策。隨著雙碳戰(zhàn)略的落地實行以及可持續(xù)發(fā)展理念的普及，石墨烯和其他相關(guān)二維材料正是工程師們找到的傳統(tǒng)材料的可再生替代品，是開發(fā)新一代能源設(shè)備和產(chǎn)品的必需品，未來石墨烯在儲能領(lǐng)域的發(fā)展將呈現(xiàn)勢不可擋的趨勢。

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前不久，關(guān)于石墨烯電池的重磅消息一連串的被拋出來，徹底震醒了依然沉浸在抱殘守舊、墨守陳規(guī)的人群。備受關(guān)注和爭寵的新能源汽車行業(yè)、鋰電池制造業(yè)等把企業(yè)最大倍的焦慮放到了石墨烯電池的新進(jìn)程和新突破上，眾盼已久的石墨烯電池是否能夠帶領(lǐng)各個行業(yè)開辟出新的天地，帶動整個行業(yè)進(jìn)行新的改革，答案已經(jīng)越來越清晰明朗，隨著專業(yè)團(tuán)隊的努力和鉆研，石墨烯電池的神秘面紗已經(jīng)半遮不掩展現(xiàn)在我們面前。

眾所周知，石墨烯是世界上最薄、最堅硬的納米材料，由于其特殊的性能和材質(zhì)，其應(yīng)用于導(dǎo)電材料、導(dǎo)熱材料上的性能可以說是得天獨厚、無所能及。正如馬斯克所預(yù)言：內(nèi)置石墨烯聚合材料的電動汽車未來的續(xù)航里程可以達(dá)到800公里，該水平已經(jīng)與傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的車輛持平。而這個預(yù)言，在石墨烯電池技術(shù)的突破、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和

產(chǎn)業(yè)供給的變化上得以更充分的體現(xiàn)和兌現(xiàn)。

在石墨烯鋰電池上，相比于傳統(tǒng)鋰電池容易老化、損耗高、利用率低、回收率低的各種短板，石墨烯鋰電池猶如一張密不透風(fēng)的網(wǎng)，把傳統(tǒng)鋰電池身上顯現(xiàn)出來的各種漏洞和弊端一一填補，最快充電速度為15秒鐘，其不易老化、環(huán)保、節(jié)能、高效等各種卓越的、優(yōu)異的性能一覽無遺，為我們呈現(xiàn)出一個全新的電池認(rèn)知視界。而在眾多閃耀著科學(xué)光芒的看點當(dāng)中，其超高的重復(fù)充能率、超長的使用壽命已經(jīng)突破了人們的想象幅度，據(jù)最新的科學(xué)研究顯示，石墨烯鋰電池的充電次數(shù)高達(dá)四點五萬次，這個數(shù)值相對傳統(tǒng)的鋰電池而言，已經(jīng)不止是數(shù)量級的差距，而更多的體現(xiàn)在其本質(zhì)上的差距。以一天充能一次的保守數(shù)據(jù)來算，石墨烯鋰電池在理想狀態(tài)下能夠連續(xù)充能使用123年！這組令人咋舌的數(shù)據(jù)已經(jīng)足夠折服曾經(jīng)對石墨烯鋰電池抱有懷疑態(tài)度的人。

而在制造業(yè)這邊，富士康集團(tuán)在石墨烯鋰電池產(chǎn)業(yè)上又有了新的企業(yè)部署和戰(zhàn)略規(guī)劃，富士康與Appear Inc.宣布在共同推進(jìn)石墨烯電池的科研攻關(guān)和未來發(fā)展上合作，毫無疑問，這是加速把石墨烯電池搬上新能源電車、搬進(jìn)尋常百姓家。一個靠制造業(yè)而享譽全球的資本巨頭與一個技術(shù)爐火純青的科技公司共同的合作，對外界傳遞的信號不言而喻：石墨烯電池正向我們一步步走來，越走越近。

石墨烯在鋰電電極材料展現(xiàn)的優(yōu)勢是電池領(lǐng)域和新能源汽車領(lǐng)域具有時代性、代表性的問題。特別是在當(dāng)下提倡環(huán)保節(jié)能、綠色低碳的經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念和生活理念的形勢下，石墨烯電池已經(jīng)以勢不可擋的姿態(tài)占據(jù)人們的視野、奪取人們的焦點，并隨著進(jìn)一步的科研攻關(guān)而迅速登上科技領(lǐng)域的舞臺中央！