新聞背景

2018年10月23日，三星在其官方微博上預(yù)告了石墨烯電池的使用。據(jù)稱，該電池在12分鐘內(nèi)即可將手機充滿電，而無需使用目前市面上最多的VOOC快充頭。在此之前，華為宣布，華為Mate20X采用了石墨烯液冷散熱技術(shù)，通過搭載一層石墨烯散熱膜，手機的急速冷卻性能獲得大幅提升，即便長時間運行高耗能應(yīng)用，也能讓機身保持“冷靜”。

近年來，手機已成為很多人最重要的生活必需品，而手機廠商們?yōu)楹吻嗖A石墨烯材料，頻頻圍繞石墨烯展開攻關(guān)呢？真正搭載石墨烯“黑科技”的手機又離我們有多遠(yuǎn)呢？

”黑材料“誕生”黑科技“

碳是自然界中萬事萬物的重要組成物質(zhì)，也是構(gòu)成生命有機體的主要元素。石墨和金剛石是兩種典型的單質(zhì)碳，也是最早為人們所熟知的兩種碳的三維晶體結(jié)構(gòu)，屬于天然礦石。

20世紀(jì)80年代，納米材料與技術(shù)獲得了極大的發(fā)展。納米碳材料也是從這一時期開始進(jìn)入歷史舞臺的。1991年，由石墨層片卷曲而成的一維管狀納米結(jié)構(gòu)——碳納米管被發(fā)現(xiàn)。2004年，石墨烯出現(xiàn)在碳材料的“家譜”中。每一次新的碳材料出現(xiàn)，不但為科學(xué)界帶來了新的研究風(fēng)向，更為工業(yè)界注入了創(chuàng)新活力。

顧名思義，石墨烯與石墨有一定的淵源。以大家日常生活中最常見的鉛筆為例，用鉛筆寫字時，紙上留下的黑色筆跡中包含了無數(shù)石墨小顆粒。在顯微鏡下可以清晰觀察到這些小顆粒其實是由石墨薄片構(gòu)成。隨著薄片厚度的逐漸減小，石墨就會過渡到碳的另一種晶體結(jié)構(gòu)：石墨烯。簡單來說，石墨烯就是單層石墨層片，是構(gòu)成石墨的基本結(jié)構(gòu)單元。

脫胎于黑色石墨中的“黑材料”石墨烯，在最近十余年的科學(xué)界無疑是最為炙手可熱的“明星”，而自石墨烯中誕生的“黑科技”也是層出不窮。我們不止一次聽說過“石墨烯手機”“石墨烯電池”的概念，這其中有的是商家炒作，有的是貨真價實的新技術(shù)。我們不能簡單地把石墨烯當(dāng)做一個形容詞來看，其實這些概念的正確解讀方式是：“在某些部件上采用了石墨烯相關(guān)的新技術(shù)的手機”和“在某一結(jié)構(gòu)上采用了石墨烯材料來提升性能的電池”。為了讓更多的讀者和消費者能對“石墨烯”材料有正確的了解，接下來我們就以一部手機上可能應(yīng)用到石墨烯技術(shù)的部分為例，為大家逐步揭開石墨烯的神秘面紗，向大家展示未來石墨烯真正有可能實現(xiàn)的具體技術(shù)應(yīng)用。

石墨烯與鋰離子電池

鋰離子電池的研究起源于20世紀(jì)70年代，早期的鋰電池采用金屬鋰作為負(fù)極材料，由于充放電過程中產(chǎn)生的一些問題沒能徹底解決，其安全性和循環(huán)性能一直不理想。直到1990年前后，索尼公司開發(fā)出了以碳為負(fù)極，鋰可逆嵌入或脫嵌的鋰離子電池，鋰離子電池才得以大規(guī)模推廣。鋰離子電池具有高能量密度、高電壓、自放電效應(yīng)小、循環(huán)性能優(yōu)越、環(huán)境友好等優(yōu)點，是一種理想的綠色電源。

石墨是一種優(yōu)秀的鋰離子電池負(fù)極材料。石墨的導(dǎo)電性好，潔凈度高，片層結(jié)構(gòu)利于鋰的嵌入與脫嵌，且鋰原子嵌入石墨后電位基本保持不變。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨層間被“撐開”時，石墨從二維的層狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S的體狀結(jié)構(gòu)，由于材料結(jié)構(gòu)具有的一些特點，其儲鋰容量會顯著提升，也就是說，通過將相等質(zhì)量的石墨烯組裝成更無序更“混亂”的結(jié)構(gòu)，既可提升鋰離子電池的容量，也可以改善鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性，從而使電池的壽命更長。

除了作為鋰離子電池的負(fù)極材料，石墨烯還可以作為導(dǎo)電填料添加在正極材料中，提高正極的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性，綜合來看，石墨烯應(yīng)用于鋰離子電池是未來必然的發(fā)展趨勢。

石墨烯與柔性顯示屏

石墨烯具有良好的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性及優(yōu)異的透光性。在整個可見光光譜上，石墨烯的光透過率維持著統(tǒng)一的分布。相比傳統(tǒng)的透明電極材料氧化銦錫，其潛在優(yōu)勢非常顯著。另一方面，由于石墨烯具有柔性，可以通過轉(zhuǎn)移的方法加工到柔性觸控面板上。同時兼具兩種優(yōu)異性能的石墨烯，毫無疑問是未來柔性觸控顯示屏的熱門候選。

曼徹斯特大學(xué)的科研人員將石墨烯薄膜作為透明電極應(yīng)用于液晶器件中，取得了很好的效果。而在LED器件中引入石墨烯，可以改善電極的透光特性，降低電阻，提高器件的可靠性。在被譽為畫質(zhì)最佳、分辨率最高的OLED器件中，由于石墨烯高強度、高導(dǎo)電性、柔性觸控以及透明等優(yōu)點，相關(guān)廠商都在努力讓OLED和石墨烯強強聯(lián)手，在顯示領(lǐng)域開拓新天地。

石墨烯與散熱

電子產(chǎn)品的散熱是影響電子產(chǎn)品功耗和壽命的關(guān)鍵因素，散熱性不好的電子設(shè)備往往在微型化和性能上存在問題，此外，其可靠性也不盡如人意。在過去的幾代智能手機中，手機廠商們主要是通過大面積的金屬背板，附加限制最高的工作溫度來實現(xiàn)手機的溫度控制，然而這與消費者對手機輕量化、高性能的追求是背道而馳的。

低維碳納米材料，如石墨烯和碳納米管等，因為其極高的彈性常數(shù)和平均自由程，具有很高的熱傳導(dǎo)率，又因其在高溫下的穩(wěn)定性，可用作高效散熱材料，散熱能力比普通鋁合金高四倍。

石墨烯與聲學(xué)

手機上的揚聲器和耳機都是發(fā)聲器件，發(fā)聲器件是將電信號轉(zhuǎn)化為聲學(xué)信號的電子器件，最早的發(fā)聲器件可以追溯到1877年愛迪生發(fā)明的留聲機?，F(xiàn)有的發(fā)聲器件多種多樣，按照工作原理可以分為電磁發(fā)聲、電容發(fā)聲以及壓電發(fā)聲，其工作本質(zhì)是借助薄膜結(jié)構(gòu)的振動，從而推進(jìn)空氣波動發(fā)出聲音。

傳統(tǒng)發(fā)聲器件的振膜材料主要為塑料振膜，其優(yōu)點是可塑性較高，易加工，成本低，但是剛性較差，容易導(dǎo)致失真。而碳材料，包括碳納米管、石墨烯和碳纖維，既容易加工成膜結(jié)構(gòu)，還具有質(zhì)量輕、剛性好、失真小、內(nèi)阻大等特點。目前市面上使用碳材料做振膜的耳機普遍售價較高，在耳機發(fā)燒圈內(nèi)備受青睞。而隨著未來碳材料合成成本不斷下降，極有可能取代塑料振膜，成為大眾市場的主力軍。

在傳統(tǒng)發(fā)聲領(lǐng)域之外，由于以石墨烯為代表的碳材料具有比塑料材料優(yōu)越的熱學(xué)性能，它可以被用于熱電發(fā)聲。有別于傳統(tǒng)的發(fā)聲技術(shù)，熱電發(fā)聲的工作原理是將輸入的交流電轉(zhuǎn)換成為周期性波動的焦耳熱，該熱能使得空氣收縮膨脹從而產(chǎn)生聲波。不過這一技術(shù)目前的主要瓶頸是功耗較高，不具備節(jié)能的特性。

基于石墨烯所具備的優(yōu)異熱學(xué)性能和輕巧柔性的特點，石墨烯可以被用來制作全柔性超薄透明石墨烯耳機，與當(dāng)下最流行的AirPods無線入耳式耳機相比，石墨烯耳機不僅具有更好的柔韌性以貼合耳部，還具備生物兼容性，對人體沒有任何負(fù)面影響。對于需要長時間佩戴耳機進(jìn)行工作或通話的某些特定人群，或者是追逐時尚的都市年輕人，甚至是需要助聽器的聽障人士，一款基于石墨烯的全柔性耳機都具有重要的意義。

石墨烯與硅處理器

如果將手機比作人體，那么電池就像人的消化系統(tǒng)，負(fù)責(zé)提供能量；顯示屏就像人的外貌；散熱裝置就像人的血液循環(huán)；聲學(xué)部件就像人的感官系統(tǒng)；處理器則相當(dāng)于人的大腦，是最為核心的元件。

目前，硅作為信息技術(shù)和能源兩個重大領(lǐng)域的龍頭材料，至今仍然發(fā)揮著無可替代的作用?；趩尉Ч璧募呻娐沸酒钱?dāng)今高科技產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。隨著“摩爾定律”無法再適用于目前硅基晶體管器件的更迭，人們在全力尋找可以替代它的新材料。碳元素作為元素周期表中硅的同族元素，具有與硅相媲美或者更勝一籌的性能，石墨烯的出現(xiàn)，一度被認(rèn)為是電子信息技術(shù)領(lǐng)域的“救世主”，是續(xù)寫“摩爾定律”的不二人選。

目前，硅基處理器再創(chuàng)新高，工藝技術(shù)突破至7納米。碳材料已經(jīng)可以在實驗室中實現(xiàn)1納米的處理器。當(dāng)然，這一技術(shù)從實驗室走到生產(chǎn)線上還存在很大的距離，但是可以預(yù)見未來將有手機搭載碳基處理器的那一天。

毫無疑問，這些石墨烯“黑科技”離我們?nèi)粘Ｉ畹木嚯x已經(jīng)越來越近，僅在一臺智能手機上，便有如此多的潛在應(yīng)用空間。相信在不遠(yuǎn)的未來，它會走進(jìn)我們的生活，融入我們的生活。（作者胡皓聞為清華大學(xué)材料學(xué)院博士生，朱宏偉為清華大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師）

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