石墨烯在汽车领域的应用

近年来，电动化、智能化、轻量化已成为汽车产业公认的未来发展方向。随着产业转型升级的加速，中国汽车产业生态发生了深刻的变革，新一代信息技术、新材料、新能源等新技术进一步加快了与汽车产业的融合，成为汽车产业崛起的新动力。其中，以石墨烯为代表的新材料备受汽车业界青睐。

石墨烯在汽车中的应用

电动汽车储能

电源、电控、电机是纯电动汽车的三大系统。目前，作为电源的储能装置主要有锂离子动力电池、超级电容器和燃料电池，三者均要求其电极材料具备大的比表面积、高的导电性和良好的电化学稳定性，这为石墨烯的运用提供广泛的运用空间。

锂电池电极材料

相对于铅酸电池、镍氢电池，锂离子电池具备能量密度大、循环寿命长、绿色环保、安全性能好等优点。2004年，沃尔沃公司就展示了锂离子电池概念车。如今，日产汽车、丰田汽车、比亚迪汽车、江淮汽车等均在纯电动汽车领域推出相应的量产车型。石墨烯的特殊微观结构有利于锂离子的嵌入与迁出，从而能够提高锂电池的能量密度、功率密度等性能。这一方面已经获得了一系列的研究成果。

石墨烯作为负极材料应用于锂离子电池，比容量可以达到540 mAh·g-1；通过研究石墨烯片层上的孔洞大小，发现孔洞的大小与锂离子电池的快速充放电有很大关系；制备的石墨烯/Co3O4阳极材料比容量可达935 mAh·g-1；美国PNNL国家实验室利用石墨烯破解了锂空气电池一系列难题，有望大幅提高电池容量。

超级电容器电极材料：

超级电容器是基于亥姆霍兹双电层理论的一种新型储能器件，与锂电池相比，具有功率密度大、循环寿命长、充电速度快、维护保养简单等优点，但其能量密度较低。目前，超级电容器作为车用动力电源主要集中在城市公交领域，在公交车站铺设充电装置，上下乘客时间电量即可充满。

目前，运用于电动汽车的超级电容器碳电极材料因为导电性、比表面积等因素使得能量密度较低，石墨烯的出现，为解决这一问题指明了方向。将石墨烯进行活化处理, 采用TEABF4/AN 电解质所组装的电容器能量密度高达70 Wh·kg-1；在石墨烯纸上电沉积MnO2 制备的二元复合纸比电容可达328 F·g-1；Wang等[10]通过在石墨烯纸上阳极电化学沉积的方法制备的复合纸比电容可达233 F·g-1。

储氢材料：

在燃料电池领域，氢燃料是未来发展方向。氢能源在汽车上的应用研究发展很快，通用汽车已推出的第三代燃料电池汽车，车速每小时已可达160 km·h-1、续航里程400 km。储氢材料的纳米化是提高储氢能力的一个重要方向。目前，用于用于储氢的材料，如镧镍系稀土、镁系合金等，价格均非常昂贵。而石墨烯因具备纳米结构，同时成本相对较低，是储氢材料的较好选择。利用石墨烯和碳纳米管设计了一个三维储氢模型，这种材料掺入锂离子，在常压下储氢能力可以达到41 g·L-1。

轻量化材料：

电加热座椅

电加热座椅是高档、豪华汽车的必备装置之一。美国加州大学一项研究显示，石墨烯的导热性能优于碳纳米管，碳纳米管的导热系数可达3000 W·Mk-1以上，而单层石墨烯的导热系数可达5300 W·Mk-1、甚至有研究表明其导热系数高达6600 W·Mk-1。把石墨烯作为增强材料加入聚苯乙烯中，可得到强度高、导电导热好、质量轻的复合材料；在聚合物中加入5％(质量分数)的石墨烯后，复合材料导热系数比聚合物基体的高4倍。这些材料均可作为高性能的导热材料，因为石墨烯超二维纳米结构，可以保证热量在加热区域内的均匀释放。

车身涂装领域

在理论领域，利用密度泛函理论计算得出，石墨烯薄膜表面的水分子之间的结合能大于其与石墨烯的吸附能，使得水分子以水滴形态存在，表明石墨烯具有疏水性。利用抽滤法制备厚0.8 nm的石墨烯薄膜，研究表明此薄膜呈现高疏水性，接触角高达140°。布法罗大学研究人员将石墨烯喷涂于钢表面，浸泡于海水中可以保持一个月不生锈，而普通高性能涂料仅能维持几天时间。因为石墨烯的高疏水性以及独特的纳米结构，可以将其运用于车用涂料领域，提高防腐效果。

汽车电路

目前，电路技术所用硅晶体管尺寸已经接近了相关物理定律的极限，在尺寸方面很难有更大突破。研究表明，与硅相比，电子在石墨烯内移动阻力更小，消耗能量更少；同时，基于石墨烯的晶体管尺寸可以更小，从而可实现更高的集成度。因此，石墨烯被称之为后摩尔时代取代硅的微电子材料。随着技术的成熟，基于石墨烯的电路完全可以用于汽车。

车用导电功能塑料

在汽车燃油供给系统中，以快速紊流方式流动的燃油能产生静电，用于燃油供给系统的部件(包括油箱，油管接头，过滤器等)需要其导电率能阻止静电堆积，消除火花、爆炸等危险。目前，以碳纳米管作为添加剂的导电塑料已成功应用于汽车燃油供给系统。石墨烯具备与碳纳米管相媲美的导电性能，且制备成本更低，完全可以用于导电功能塑料领域。制备的聚合物基/石墨烯复合材料(石墨烯含量为2.5%)导电率可达1 S·m-1左右，比用碳纳米管填充的聚合物复合材料导电率高4倍。基于石墨烯的导电功能塑料还可以运用于汽车挡泥板、门把手、镜盒等方面，方便车身的静电喷涂，省去了相对于非导电性塑料在静电喷涂前需要进行的表面导电化处理。

免责声明 | 部分素材源自网络，版权归原作者所有。如有侵涉，请联系我们处理。