什么是石墨烯電池，石墨烯電池對(duì)人體有什么傷害
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-31 12:03
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2004年，兩位俄裔英籍科學(xué)家將石墨烯成功從石墨中分離。石墨烯集合世界上最優(yōu)質(zhì)的各種材料品質(zhì)于一身。石墨烯無(wú)疑是過(guò)去十年，乃至未來(lái)幾十年，所有材料“明星”中最耀眼的一顆。如果說(shuō)20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，神奇的石墨烯則是21世紀(jì)新材料的寵兒。
早在去年，泰州巨納新能源有限公司就研制出了全球首臺(tái)商用石墨烯飛秒光纖激光器。同時(shí)該激光器還創(chuàng)造了脈沖寬度最短（105fs）和峰值功率最高（70kW）兩項(xiàng)石墨烯飛秒光纖激光器世界紀(jì)錄。
在飛秒光纖激光器領(lǐng)域，石墨烯被認(rèn)為是取代SESAM的最佳材料。2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者撰文預(yù)測(cè)石墨烯飛秒光纖激光器有望在2018年左右產(chǎn)業(yè)化。要實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，需要解決高質(zhì)量石墨烯制備、大規(guī)模低成本石墨烯轉(zhuǎn)移、石墨烯與光場(chǎng)強(qiáng)相互作用、石墨烯飽和吸收體封裝以及激光功率穩(wěn)定控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)。泰州巨納新能源有限公司經(jīng)過(guò)多年持續(xù)研究，成功攻克了這些關(guān)鍵技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)了石墨烯飛秒光纖激光器的產(chǎn)品化，主要性能指標(biāo)均高于同類(lèi)產(chǎn)品，具有很高的性?xún)r(jià)比和很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
石墨烯對(duì)人體有什么傷害
什么是石墨烯
1.石墨烯，Graphene，是從石墨材料中剝離出來(lái)的由碳原子組成的二維晶體，是已知材料中最薄的一種。實(shí)際上石墨烯本來(lái)就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。
2.石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。納米材料的石墨烯比之以往的碳材料更為穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)。
石墨烯對(duì)人體和環(huán)境都存在潛在危害
很多人都知道，石墨烯對(duì)于科技行業(yè)而言似乎是能夠創(chuàng)造未來(lái)奇跡的福音，但你不知道的是這種材料對(duì)環(huán)境，甚至對(duì)我們?nèi)祟?lèi)的身體可能都是不太好的。我們?cè)谡劦绞┑臅r(shí)候，大部分人都會(huì)相當(dāng)興奮，比如僅原子的厚度，這種材料很輕很牢固，富有彈性，對(duì)于熱和電也具有良好的傳導(dǎo)性。這些特性都令其具備掀起科技革命的潛力，所以很多人將之稱(chēng)作奇妙的材料。
不過(guò)實(shí)際上石墨烯自首次在實(shí)驗(yàn)室中分離出來(lái)到現(xiàn)在也已經(jīng)有10年時(shí)間了，研究人員和整個(gè)行業(yè)似乎都還沒(méi)有意向真正將之帶出實(shí)驗(yàn)室，做大規(guī)模商用，而且據(jù)說(shuō)用于這種材料潛在負(fù)面影響研究的費(fèi)用也不是很多。
石墨烯對(duì)人體有什么傷害
近來(lái)最新的兩項(xiàng)研究似乎對(duì)石墨烯而言不是很好的消息。其一，布朗大學(xué)的生物學(xué)者、工程師和材料科學(xué)家團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了這種材料對(duì)于人體細(xì)胞的潛在毒性。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯納米粒子的鋸齒邊緣非常鋒利和強(qiáng)勁，能夠輕易穿刺入人類(lèi)皮膚以及免疫細(xì)胞的細(xì)胞膜，就像上圖展示的那樣，可見(jiàn)石墨烯確實(shí)對(duì)人類(lèi)和其他動(dòng)物都存在潛在的嚴(yán)重危害。
這項(xiàng)研究的作者之一，同時(shí)也是工程學(xué)教授的Robert Hurt就說(shuō)：“這些材料可被無(wú)意吸入，或者故意注入以及作為新型生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的組件植入人體，所以我們需要了解它們?cè)隗w內(nèi)和細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生怎樣的互動(dòng)。”
另外一項(xiàng)研究則由加利福尼亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)起。伯恩斯工程學(xué)院（Bourns College of Engineering）在研究中發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯納米粒子如果找到進(jìn)入地表或地下水資源的方式，就能夠?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生影響。團(tuán)隊(duì)研究了含絕少有機(jī)物的地下水資源，這些水的硬度偏高，氧化石墨烯納米粒子在這樣的環(huán)境下會(huì)變得不穩(wěn)定形成沉淀。
不過(guò)在如湖泊、河流之類(lèi)的地表水，有機(jī)物含量相對(duì)較多，水硬度更低，這些粒子就更加穩(wěn)定能夠漂流向更遠(yuǎn)的地方，也會(huì)流往地下。所以這種納米粒子的泄露就有可能對(duì)有機(jī)物、植物、魚(yú)、動(dòng)物和人類(lèi)造成危害。受影響的區(qū)域很快就會(huì)擴(kuò)散。發(fā)表論文的聯(lián)合作者Jacob D.Lanphere表示：“今天的情況和30年前化學(xué)品和藥品充斥我們周?chē)那闆r相似。我們還不知道這些工程納米材料在進(jìn)入到地下或者水里面以后將會(huì)發(fā)生什么。所以我們需要主動(dòng)研究，我們需要數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)未來(lái)的科技是否能夠應(yīng)用這樣的材料。”
石墨烯對(duì)人體有什么傷害
當(dāng)前，材料安全數(shù)據(jù)表（Material Safety Data Sheet）有關(guān)石墨烯的行業(yè)應(yīng)用仍是不完整的。上書(shū)這種材料對(duì)于皮膚和眼睛，以及對(duì)于呼吸和攝取都存在潛在的危害與刺激。暫時(shí)沒(méi)有信息表明這類(lèi)物質(zhì)是否存在致癌風(fēng)險(xiǎn)或者是潛在的發(fā)育毒性。
上面所說(shuō)第一項(xiàng)研究的科學(xué)家就指出，石墨烯的開(kāi)發(fā)仍處在初級(jí)階段，并且作為一種人造材料，現(xiàn)在這個(gè)時(shí)期正是我們測(cè)試和了解其潛在危害的好機(jī)會(huì)。在石墨烯真正開(kāi)始在我們的生活中越來(lái)越廣泛存在之前，我們還有數(shù)年時(shí)間做進(jìn)一步研究?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)就是要解決其安全性問(wèn)題，讓石墨烯對(duì)我們自身和我們的星球而言都盡可能變得安全
和金剛石一樣，石墨是碳元素的一種存在形式。有趣的是，由于原子結(jié)構(gòu)不同，金剛石是地球上自然界最堅(jiān)硬的東西，石墨則成了最軟的礦物之一，常做成石墨棒和鉛筆芯。
科學(xué)家介紹說(shuō)，石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)，只由一層碳原子構(gòu)成、按蜂窩狀六邊形排列的平面晶體。通俗地講，石墨烯就是單層石墨。一塊厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯；鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是好多層石墨烯。
這種只有一個(gè)原子厚度的二維材料，一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在。直至2004年，兩位英國(guó)科學(xué)家成功地從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)了其可以單獨(dú)存在，并因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
據(jù)中國(guó)電科55所所長(zhǎng)、微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任高濤博士介紹，石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)讓它具有更導(dǎo)電、更傳熱、更堅(jiān)硬、更透光等優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等方面的性能。輕薄、強(qiáng)韌、導(dǎo)電、導(dǎo)熱……石墨烯這些特性賦予人們很多想象空間。
石墨烯的特點(diǎn)首先是薄，堪稱(chēng)目前世界上最薄的材料，只有一個(gè)原子那么厚，約0.3納米，是一張A4紙厚度的十萬(wàn)分之一、一根頭發(fā)絲的五十萬(wàn)分之一。與此同時(shí)，石墨烯比金剛石更硬，透光率高達(dá)97.7%，是世界上最堅(jiān)硬又最薄的納米材料。
同時(shí)，它又能導(dǎo)電。石墨烯的電子運(yùn)行速度達(dá)1000千米/秒，是光速的1/300，非常適合制造下一代超高頻電子器件。石墨烯還是傳導(dǎo)熱量的高手，比最能導(dǎo)熱的銀還要強(qiáng)10倍。
石墨烯的特性，也表現(xiàn)得很“好玩”。比如當(dāng)一滴水在石墨烯表面滾動(dòng)時(shí)，石墨烯能敏銳地“覺(jué)察”到細(xì)微的運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生持續(xù)的電流。這種特性給科學(xué)家提供了一種新思路——從水的流動(dòng)中獲取電能。比如，在雨天可以用涂有石墨烯的雨傘進(jìn)行發(fā)電，或者可以做成靈敏的傳感器件等。
“人類(lèi)經(jīng)歷了石器、陶器、銅器、鐵器時(shí)代，正行進(jìn)在以硅為主要物質(zhì)載體的信息時(shí)代；而下一個(gè)量子時(shí)代哪種材料將嶄露頭角呢？很可能是石墨烯。”浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系教授高超說(shuō)。
未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)使用石墨烯電池，花兩三分鐘就可能把電充滿(mǎn)
由于石墨烯的神奇性能，加上制備簡(jiǎn)便、研究視角多維，其應(yīng)用潛力巨大、適用行業(yè)寬廣，成為搶眼的材料“新星”一點(diǎn)不奇怪。石墨烯從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在僅10余年的時(shí)間，已取得了許多令人震撼的研究成果，稱(chēng)得上是人類(lèi)歷史上從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用最快的材料。
高超說(shuō)，從材料化學(xué)角度看，石墨烯會(huì)帶來(lái)資源、環(huán)境、化工、材料、能源、傳感、交通機(jī)械、光電信息、健康智能、航空航天等領(lǐng)域的變化或變革。我國(guó)石墨礦儲(chǔ)量豐富，約占全世界的75%，其高效開(kāi)發(fā)將引起碳資源及我國(guó)大資源策略的新定位、新思考、新規(guī)劃。
石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)則將促進(jìn)化工、機(jī)械、智造、自控等行業(yè)的技術(shù)提升。石墨烯的添加可以產(chǎn)生多功能復(fù)合材料，用來(lái)制造高性能電池、電容器。石墨烯傳感器可以在生物檢測(cè)、光電探測(cè)方面大顯身手，石墨烯及其它二維材料的異質(zhì)疊合材料可制造高性能晶體管。
可以說(shuō)，石墨烯技術(shù)將對(duì)我們的吃、穿、住、行、用、玩都產(chǎn)生影響。石墨烯復(fù)合膜阻氧阻水性能好，可提高食品保質(zhì)期；石墨烯纖維可制成發(fā)熱服飾和醫(yī)療保健用品；石墨烯電熱膜電熱轉(zhuǎn)換效率高，可逐步代替暖氣供熱；石墨烯系列材料可用于汽車(chē)、火車(chē)等交通工具，石墨烯導(dǎo)熱膜可用于手機(jī)高效散熱……
石墨烯另一個(gè)被寄予厚望的應(yīng)用領(lǐng)域是電能儲(chǔ)存。它的優(yōu)勢(shì)在于充電速度快，而且可以重復(fù)使用幾萬(wàn)次。但目前石墨烯存儲(chǔ)的電量不如電池多，還無(wú)法存儲(chǔ)足夠多的電能。未來(lái)，隨著充電設(shè)施的日益完善和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)汽車(chē)使用石墨烯電池，花兩三分鐘就可能把電充滿(mǎn)。
中國(guó)電科55所微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任孔月嬋博士介紹說(shuō)，石墨烯的電子運(yùn)行速度是硅的十倍，由石墨烯制作的高頻器件理論上工作頻率可以達(dá)到硅的十倍甚至上百倍。石墨烯引發(fā)的技術(shù)革命很可能從人們常見(jiàn)的小小芯片開(kāi)始。
此外，科研人員已完成柔性襯底晶體管的研制，正在嘗試柔性通訊電路的研制。未來(lái)無(wú)論是可以折疊的顯示屏幕，還是能夠植入人體的可穿戴設(shè)備，都可能靠這樣的石墨烯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
高濤認(rèn)為，即使在實(shí)驗(yàn)室條件下，石墨烯的神奇性能依然沒(méi)有完全釋放出來(lái)。由于技術(shù)層面還存在著不少挑戰(zhàn)，真正大面積應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。但通過(guò)加強(qiáng)需求和研究的結(jié)合，不斷在石墨烯材料的制備和器件研制方面取得重要突破，創(chuàng)造更多更新更具顛覆性的應(yīng)用，石墨烯這種新一代戰(zhàn)略性新興材料將會(huì)極大改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活。
國(guó)內(nèi)石墨烯研究與國(guó)外基本同步，有望在不久的將來(lái)形成石墨烯產(chǎn)業(yè)
石墨烯一直是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)，并在不斷升溫。近幾年來(lái)，全球石墨烯相關(guān)的論文和發(fā)明專(zhuān)利幾乎呈指數(shù)式增長(zhǎng)，不僅各類(lèi)優(yōu)異的物理化學(xué)性能被預(yù)測(cè)、證實(shí)，而且由此生發(fā)出很多具體的研究方向。
據(jù)了解，許多國(guó)家正在爭(zhēng)奪石墨烯技術(shù)的制高點(diǎn)。歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃以石墨烯傳感為主要研究方向，美國(guó)正在嘗試?yán)檬?shí)現(xiàn)通信的柔性化并取得了顯著的成果，韓國(guó)持續(xù)支持石墨烯柔性顯示的研究并制備出了演示產(chǎn)品。
高濤說(shuō)，總體來(lái)講，國(guó)際上石墨烯各項(xiàng)優(yōu)異性能正逐漸從實(shí)驗(yàn)室研究向產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)渡，同時(shí)一些潛在的性能或應(yīng)用還在不斷被發(fā)掘。但這個(gè)工程化是一個(gè)長(zhǎng)期而艱難的過(guò)程，給我國(guó)實(shí)現(xiàn)趕超國(guó)際水平、占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)帶來(lái)了絕好的機(jī)遇。
高超認(rèn)為，目前國(guó)內(nèi)石墨烯研究與國(guó)外基本同步，一些方面有原創(chuàng)和引領(lǐng)性成果。國(guó)內(nèi)研究偏重化學(xué)和材料，國(guó)外更偏機(jī)理和器件。國(guó)內(nèi)石墨烯的研究在理論研究方面可說(shuō)是已實(shí)現(xiàn)與國(guó)際先進(jìn)水平“并跑”，論文、專(zhuān)利無(wú)論數(shù)量還是質(zhì)量都具有很強(qiáng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。截至2016年3月，中國(guó)石墨烯的專(zhuān)利總數(shù)占全世界的56%。與此同時(shí)，國(guó)家資助了大量有關(guān)石墨烯的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，初步形成了政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的產(chǎn)學(xué)研合作對(duì)接機(jī)制。
例如，清華大學(xué)開(kāi)發(fā)出米級(jí)石墨烯單晶薄膜的快速制備技術(shù)；中國(guó)電科55所研制出了世界上最快的柔性石墨烯晶體管；浙江大學(xué)納米高分子團(tuán)隊(duì)則通過(guò)近十年研究，開(kāi)發(fā)出了石墨烯纖維、石墨烯連續(xù)組裝膜、石墨烯超輕氣凝膠及石墨烯無(wú)紡布等。
受訪專(zhuān)家指出，各個(gè)方向不斷出現(xiàn)令人驚喜的研究成果，讓人們對(duì)石墨烯的未來(lái)充滿(mǎn)期待。但總體來(lái)講，石墨烯技術(shù)成熟度還比較低。對(duì)于石墨烯的發(fā)展，其制約因素或者說(shuō)難點(diǎn)，主要在材料制備技術(shù)、全新設(shè)計(jì)理念和二維操控技術(shù)等方面。其中，高品質(zhì)、大批量的石墨烯原料問(wèn)題暫時(shí)沒(méi)有根本解決，還需要進(jìn)行大量技術(shù)攻關(guān)。有些技術(shù)如單層氧化石墨烯、石墨烯單晶等在實(shí)驗(yàn)室制備成功了，但實(shí)現(xiàn)工程化、連續(xù)性、低成本、高效穩(wěn)定制備還有較長(zhǎng)的路要走。只有真正高品質(zhì)的石墨烯量產(chǎn)了，顛覆性應(yīng)用才會(huì)出現(xiàn)。
