石墨烯在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，電動化、智能化、輕量化已成為汽車產(chǎn)業(yè)公認的未來發(fā)展方向。隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的加速，中國汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)生了深刻的變革，新一代信息技術(shù)、新材料、新能源等新技術(shù)進一步加快了與汽車產(chǎn)業(yè)的融合，成為汽車產(chǎn)業(yè)崛起的新動力。其中，以石墨烯為代表的新材料備受汽車業(yè)界青睞。

石墨烯在汽車中的應(yīng)用

電動汽車儲能

電源、電控、電機是純電動汽車的三大系統(tǒng)。目前，作為電源的儲能裝置主要有鋰離子動力電池、超級電容器和燃料電池，三者均要求其電極材料具備大的比表面積、高的導電性和良好的電化學穩(wěn)定性，這為石墨烯的運用提供廣泛的運用空間。

鋰電池電極材料

相對于鉛酸電池、鎳氫電池，鋰離子電池具備能量密度大、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保、安全性能好等優(yōu)點。2004年，沃爾沃公司就展示了鋰離子電池概念車。如今，日產(chǎn)汽車、豐田汽車、比亞迪汽車、江淮汽車等均在純電動汽車領(lǐng)域推出相應(yīng)的量產(chǎn)車型。石墨烯的特殊微觀結(jié)構(gòu)有利于鋰離子的嵌入與遷出，從而能夠提高鋰電池的能量密度、功率密度等性能。這一方面已經(jīng)獲得了一系列的研究成果。

石墨烯作為負極材料應(yīng)用于鋰離子電池，比容量可以達到540 mAh?g-1；通過研究石墨烯片層上的孔洞大小，發(fā)現(xiàn)孔洞的大小與鋰離子電池的快速充放電有很大關(guān)系；制備的石墨烯/Co3O4陽極材料比容量可達935 mAh?g-1；美國PNNL國家實驗室利用石墨烯破解了鋰空氣電池一系列難題，有望大幅提高電池容量。

超級電容器電極材料：

超級電容器是基于亥姆霍茲雙電層理論的一種新型儲能器件，與鋰電池相比，具有功率密度大、循環(huán)壽命長、充電速度快、維護保養(yǎng)簡單等優(yōu)點，但其能量密度較低。目前，超級電容器作為車用動力電源主要集中在城市公交領(lǐng)域，在公交車站鋪設(shè)充電裝置，上下乘客時間電量即可充滿。

目前，運用于電動汽車的超級電容器碳電極材料因為導電性、比表面積等因素使得能量密度較低，石墨烯的出現(xiàn)，為解決這一問題指明了方向。將石墨烯進行活化處理, 采用TEABF4/AN 電解質(zhì)所組裝的電容器能量密度高達70 Wh?kg-1；在石墨烯紙上電沉積MnO2 制備的二元復合紙比電容可達328 F?g-1；Wang等[10]通過在石墨烯紙上陽極電化學沉積的方法制備的復合紙比電容可達233 F?g-1。

儲氫材料：        

在燃料電池領(lǐng)域，氫燃料是未來發(fā)展方向。氫能源在汽車上的應(yīng)用研究發(fā)展很快，通用汽車已推出的第三代燃料電池汽車，車速每小時已可達160 km?h-1、續(xù)航里程400 km。儲氫材料的納米化是提高儲氫能力的一個重要方向。目前，用于用于儲氫的材料，如鑭鎳系稀土、鎂系合金等，價格均非常昂貴。而石墨烯因具備納米結(jié)構(gòu)，同時成本相對較低，是儲氫材料的較好選擇。利用石墨烯和碳納米管設(shè)計了一個三維儲氫模型，這種材料摻入鋰離子，在常壓下儲氫能力可以達到41 g?L-1。 

輕量化材料：

電加熱座椅

電加熱座椅是高檔、豪華汽車的必備裝置之一。美國加州大學一項研究顯示，石墨烯的導熱性能優(yōu)于碳納米管，碳納米管的導熱系數(shù)可達3000 W?Mk-1以上，而單層石墨烯的導熱系數(shù)可達5300 W?Mk-1、甚至有研究表明其導熱系數(shù)高達6600 W?Mk-1。把石墨烯作為增強材料加入聚苯乙烯中，可得到強度高、導電導熱好、質(zhì)量輕的復合材料；在聚合物中加入5％(質(zhì)量分數(shù))的石墨烯后，復合材料導熱系數(shù)比聚合物基體的高4倍。這些材料均可作為高性能的導熱材料，因為石墨烯超二維納米結(jié)構(gòu)，可以保證熱量在加熱區(qū)域內(nèi)的均勻釋放。

車身涂裝領(lǐng)域

在理論領(lǐng)域，利用密度泛函理論計算得出，石墨烯薄膜表面的水分子之間的結(jié)合能大于其與石墨烯的吸附能，使得水分子以水滴形態(tài)存在，表明石墨烯具有疏水性。利用抽濾法制備厚0.8 nm的石墨烯薄膜，研究表明此薄膜呈現(xiàn)高疏水性，接觸角高達140°。布法羅大學研究人員將石墨烯噴涂于鋼表面，浸泡于海水中可以保持一個月不生銹，而普通高性能涂料僅能維持幾天時間。因為石墨烯的高疏水性以及獨特的納米結(jié)構(gòu)，可以將其運用于車用涂料領(lǐng)域，提高防腐效果。

汽車電路

目前，電路技術(shù)所用硅晶體管尺寸已經(jīng)接近了相關(guān)物理定律的極限，在尺寸方面很難有更大突破。研究表明，與硅相比，電子在石墨烯內(nèi)移動阻力更小，消耗能量更少；同時，基于石墨烯的晶體管尺寸可以更小，從而可實現(xiàn)更高的集成度。因此，石墨烯被稱之為后摩爾時代取代硅的微電子材料。隨著技術(shù)的成熟，基于石墨烯的電路完全可以用于汽車。

車用導電功能塑料

在汽車燃油供給系統(tǒng)中，以快速紊流方式流動的燃油能產(chǎn)生靜電，用于燃油供給系統(tǒng)的部件(包括油箱，油管接頭，過濾器等)需要其導電率能阻止靜電堆積，消除火花、爆炸等危險。目前，以碳納米管作為添加劑的導電塑料已成功應(yīng)用于汽車燃油供給系統(tǒng)。石墨烯具備與碳納米管相媲美的導電性能，且制備成本更低，完全可以用于導電功能塑料領(lǐng)域。制備的聚合物基/石墨烯復合材料(石墨烯含量為2.5%)導電率可達1 S?m-1左右，比用碳納米管填充的聚合物復合材料導電率高4倍?；谑┑膶щ姽δ芩芰线€可以運用于汽車擋泥板、門把手、鏡盒等方面，方便車身的靜電噴涂，省去了相對于非導電性塑料在靜電噴涂前需要進行的表面導電化處理。

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