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グラフェンに関する画期的なニュースがあるときはいつでも、それは業界、特にバッテリー分野で常に熱狂を引き起こします。この時点で、落ち着いて、グラフェンとは何か、何ができるか、そして現在直面している最大の問題を知る必要があります。

グラフェンは、炭素原子が密に詰まった二次元結晶です。マンチェスター大学のアンドレハイム教授とコンスタンチンノボセロフ教授は、2004年に簡単な方法で主導権を握りました。グラファイトを剥がすことにより、グラフェンの単層が得られた。現在得られている二次元材料の中で、グラフェンは最も薄く、比表面積が大きく、最高の強度、最高の靭性、最軽量、最高の透過率、最高の導電率を備えた材料です。グラフェンの創設者が2010年にノーベル物理学賞を受賞したのは、これらの優れた物理的特性と優れた応用の見通しのためです。

グラフェンの特殊な構造により、他の多くの材料にはない特殊な特性も示します。

1.優れた導電性：グラフェンのキャリア電子と正孔は連続的であり、移動度は1＆;に達する可能性があります。タイムズ; 105cm2 / Vsの電子は、光速の1/300の速度で透過します。これは、一般的な金属導体や半導体の伝導速度を大幅に上回っており、優れた伝導性を備えています。

2.超高透磁率：単層グラフェンの光吸収率は非常に広い波長範囲でわずか2.3％です。つまり、単層グラフェンの光透過率は97.7％であり、国際標準の85％をはるかに上回っています。透明導電性フィルム。

3.超高強度：グラフェンは、カーボンナノチューブに次いで最高の弾性率と強度を持つ材料であることがわかりました。その強度は世界最高の鋼の100倍です。その硬度は、自然界で最も硬い材料のダイヤモンドよりも高くなっています。同時に、柔軟性に優れ、自由に曲がることができます。

4.超高熱伝導率：グラファイト、ダイヤモンド、カーボンナノチューブと同様に、グラフェンも非常に高い熱伝導率を持っています。自由状態の単層グラフェンは、現在知られている室温で5000W / mKの熱伝導率を持っています。熱伝導率が最も高い素材。

5.特大の比表面積：グラフェンは炭素原子の厚さが1つしかないため、単層グラフェンの比表面積は2630m2 / gに達することがあり、通常の活性炭の比表面積よりもはるかに大きくなります。

これらの特性だけを見ると、グラフェンは完璧です。完璧ではない唯一のことは、それを大量に準備する方法です。

グラフェン調製技術

グラフェンの出現は、科学界に大きな波を引き起こしました。 2006年以降、研究論文は劇的に増加しています。ナノメートルサイズのトランジスタや回路を形成する「ポストシリコン時代」の新たな可能性のある材料として、グラフェンの研究開発も応用されています。世界は急増しています。米国、韓国、中国、日本、その他の国々は特に研究に積極的です。

現在、ダウケミカル、サムスン、IBM、ファーウェイ、アップルなどの多くの主要な国際メーカーがグラフェンの工業化を積極的に推進しています。 2004年以来、グラフェンの国際特許出願は数千に達しています。これは主に、グラフェンの調製、エネルギー分野での用途、ディスプレイ技術での用途、グラフェンナノ材料、およびグラフェン複合材料で使用されます。しかし、世界規模での大量生産の前例はありません。これは主に、大量生産に適した方法や方法がまだ見つかっていないためです。これは、グラフェンのコストが高いままである理由でもあります。

現在、グラフェンの主な製造方法は、機械的ストリッピング、蒸着（CVD）、SiC熱分解、レドックスの5つです。その中で、実際の生産に最も近いのは蒸着法です。

自動車産業におけるグラフェンの潜在的な用途

グラフェンは、非常に高い技術的含有量と幅広い応用可能性を備えた一種の二次元炭素材料です。それは多くの産業で広範囲で破壊的なアプリケーションの見通しを持っています。自動車産業は多くの産業に基づく統合産業であるため、グラフェンは自動車産業にとって重要なアプリケーション価値と展望も持っています。

1.リチウムイオン電池に適用し、充電時間を大幅に短縮し、電池容量を増やします

現在、世界の自動車メーカーが使用しているパワーバッテリーは、主にリチウム電池、テスラに代表されるリチウムニッケルコバルトアルミン酸塩電池、BYDに代表されるリン酸鉄リチウム電池、日本の自動車に代表されるマンガン酸リチウムを使用しています。

これらの3種類の電池は、コバルト酸リチウム電池の中で最もエネルギー密度が高くなっていますが、高温で最も不安定でもあります。リン酸鉄リチウム電池が最も安定していますが、エネルギー密度が最も低くなっています。リチウムイオン電池技術は、大きな技術革新なしに20年間沈黙を守ってきました。最大の障害は、リチウムイオン電池の電力密度が限られており、大量のエネルギーをすばやく受け取ったり放出したりできないことです（つまり、急速な充電と放出を実現できません）。

グラフェンは、キャリアの移動度が大きく、充電時間を大幅に短縮できるため、リチウムイオン電池に適用されます。また、その安定性により、バッテリーサイクルの安定性を向上させることができます。さらに、余分な表面積もバッテリー容量を増やすことができます。

モデルSのテスラアップグレードバージョンは、改良されたリチウム電池を使用しています。新しく改良された18650リチウム電池の容量が大幅に増加しました。 6831のバッテリー数は増えていませんが、バッテリーの総容量は53kWhから70kWhに増えています。テスラはグラフェンが追加されたかどうかを確認しませんでしたが、そのパフォーマンスは大幅に向上したため、グラフェンだけがそれを行うことができます。

リチウム電池の伝統的な製造国は日本と韓国であり、グラフェン電池の技術でも主導権を握っています。韓国の科学者たちは2014年11月に、新しく発明されたグラフェンスーパー携帯電話のバッテリーは従来のバッテリーと同じ量の電力を蓄えることができると発表しましたが、充電時間はわずか16秒です。米国のレンセラー工科大学の研究者は、グラフェンアノード材料が今日のリチウムイオン電池で使用されているグラファイトアノードよりも10倍速く充電または放電することも期待しています。

2014年12月の初めに、西側のメディアは、スペインの会社GraphenanoとスペインのCorvado大学によって開発されたグラフェンバッテリーは、わずか8分で1000分しか移動できないと報告しました。この結果が本当なら、電気自動車が従来のガソリン車を完全に破壊し、自動車の主力になることは間違いありません。

2.表面保護材

グラフェンは、安定した構造、耐食性、耐酸化性、高強度を持ち、さまざまな金属表面で成長しやすいです。金属材料の表面保護に広く使用できます。同時に、その導電性と高い熱伝導性により、有機材料の保護と帯電防止にも広く使用できます。車のパネルの表面をグラフェンでコーティングした場合、車に傷がつく心配はもうありません。

3.ドライバーレスを支援するために、集積回路のシリコンを交換します

シリコンは私たちを電子時代に導きました。多結晶シリコンは半導体産業の基本原料となり、集積回路の基板として使用されてきました。プロセス技術の向上により、シリコンベースのチップの動作速度はGHzレベルに達しました。しかし、テクノロジーの継続的な進歩に伴い、コンピューターの速度に対する要件はますます高まっています。

しかし、シリコンベースのチップは、材料自体の性能によって制限されており、4〜5 GHzに達した後、処理速度を上げることは困難であり、速度に対する人々の要求を徐々に満たすことができなくなっています。多くの選択肢の中で、グラフェンはその超強度、超高熱伝導率、および超伝導率で最も顕著です。

グラフェンをマトリックスとして使用して製造されたプロセッサは、THz（つまり1000GHz）に達する可能性があります。 IBMは2010年に超高速グラフェントランジスタを開発しました。その最大周波数は230GHzに達する可能性があり、現在のシリコンベースのトランジスタをはるかに上回っています。実行速度。 IBMは、2014年7月に、グラフェンを含むカーボンチップ技術の開発にさらに30億米ドルを投資すると発表しました。グラフェンは、将来、半導体産業の基礎材料としてシリコンに取って代わる可能性があります。

無人技術が優勢です。超高速の計算能力が必要です。データストレージおよび処理システムは、集積回路に対して非常に高い要件を必要とします。既存のシリコンベースのチップは、そのニーズを完全に満たすのは困難です。グラフェンカーボンチップの開発と応用は、この技術的なボトルネックを解決し、強力なコンピューティングサポートを提供します。

4.スーパーキャパシターに適用し、完全な加速

スーパーキャパシタは、新しいタイプのエネルギー貯蔵デバイスです。二次電池と比較して、無制限の電流充電が可能なため、充電と放電の速度が非常に速くなります。充電と放電のプロセスを数秒で完了することができ、高出力と長寿命を備えています。特徴。スーパーキャパシタとリチウムイオン電池の組み合わせは、電気自動車の加速が遅いという問題を効果的に解決することができます。

グラフェンの表面積が大きいため、電極としてグラフェンを使用したスーパーキャパシタは、他の材料を電極として使用したスーパーキャパシタよりもはるかに高い数百F / gに達する可能性のある超高容量を備えています。パワーセルとしてより適しています。電源。

5.ITOの代わりに超効率的な太陽電池と折りたたみ式ディスプレイの準備

今年7月2日、ハナジーは太陽エネルギーを動力源とする4台のコンセプトカーを発表しました。いつの日か自動車分野で一つのアイデアを推進できれば、自動車産業での太陽電池の需要は大幅に増えると考えられます。現在、太陽電池、ディスプレイ、タッチスクリーンに使用されている透明導電性材料は、主に酸化インジウムスズ（ITO）です。しかし、ITOの赤外光透過率は実際には比較的低いため、太陽電池の太陽エネルギー利用効率は依然として比較的低い。また、ITO材料の靭性が低く、折りたたんだり伸ばしたりすると表示効果に影響を与える可能性があります。

グラフェンは、その特殊な構造により、非常に高い導電率を持っています。同時に、それはほとんど透明です。光の透過率はすべての帯域で非常に高いです。超優れた透明導電性材料であるため、ITOに代わるものとして広く認められています。

太陽電池分野では、日本の富士電機が開発をリードしています。得られたグラフェンシートはITOの数倍の導電率を持ち、光透過率の90％が性能目標を完全に満たすことができるレベルに到達することを保証できます。ディスプレイやタッチスクリーンの分野では、グラフェンは現在の主流のITO材料よりも高い強度と優れた靭性を備えています。透明導電性材料として、フレキシブルディスプレイデバイスにすることができます。

6.排気浄化用グラフェンエアロゲル、触媒担体

自動車の環境保護の分野では、室内と排気の浄化が常に重要な問題となっています。 2013年、浙江大学高分子科学部のGao Chao教授は、材料密度がわずか0.16 mg / cm3の世界最軽量のグラフェン超軽量エアロゲルを製造しました。この材料は、簡単な準備プロセスと優れた性能を備えています。弾力性が高く、80％圧縮すると元の状態に戻すことができます。同時に、超高速・超高吸着能力を持ち、これまでで最も吸油能力の高い素材です。空気浄化、接触担体などの分野で広く使用されており、室内空気浄化や排気ガスの接触還元に非常に重要です。

要約：長い道のり、喧騒の中で未来を楽しみにしています

他のプロセスから機械的ストリッピング法を取り除いて得られたグラフェンは、一貫した品質を達成することができず、機械的ストリッピング法は非常に非効率的です。したがって、既存の合成技術は産業用途に適応できません。グラフェンの価格が依然として比較的高価になるのは、準備プロセスの制限でもあります。グラフェンのすべてのアプリケーションは、まだ実験室の研究段階です。グラフェンの用途では、調製プロセスが成熟するまで、そのコストを商品化できるレベルまで削減することができ、その実用化と工業化は長い道のりと言えます。

グラフェンの優れた性能と巨大なアプリケーションの見通しを考慮して、政府と企業は、グラフェンの研究を行うために多くの人的資源、材料資源、および財源を投資してきました。おそらく絶え間ない注目と投資を引き付けるために、企業はしばしば非常に強力なグラフェン製品を作ったと主張しますが、それは著者の見解では本当に喧騒です。

しかし、グラフェンの研究が実際に多くの良い結果を達成したのも、この混乱と巨額の投資の下にあります。グラフェンの価格はゆっくりと下落し、より大きく、より高品質のグラフェンが徐々に開発されてきました。下流の産業チェーンも徐々にグラフェンを使用しようとしています。

技術的な成熟度と需要の緊急性の観点から、バッテリーの充電と放電の効率、バッテリー容量、バッテリーの安定性を改善するためのリチウムイオンバッテリーへの適用は、自動車、特に電気自動車の開発において明らかに決定的な役割を果たします。電気自動車が主流になるためには、グラフェンが不可欠です。自動運転車や太陽光発電車を考慮に入れると、グラフェンは間違いなく自動車業界でより広いアプリケーションスペースを持つことになります。

もちろん、見通しは広大ですが、現実は冷酷です。準備プロセスが未成熟であり、下流の産業チェーンが不完全に開かれているため、グラフェンはまだ大規模な用途がなく、この現状を変えるには時間がかかる可能性があります。研究が深まるにつれ、グラフェンの特異点は、多くの産業が大地を揺るがす変化、さらには破壊さえも経験する日になると確信しています。

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