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石墨烯在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月27日 09:15

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(rèn)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(jìn)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(jī)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(dǎo)電性和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，這為石墨烯的運(yùn)用提供廣泛的運(yùn)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(diǎn)。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(fù)極材料應(yīng)用于鋰離子電池，比容量可以達(dá)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(dá)935 mAh?g-1；美國PNNL國家實(shí)驗(yàn)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(hù)保養(yǎng)簡單等優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)用于電動汽車的超級電容器碳電極材料因?yàn)閷?dǎo)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(jìn)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(dá)70 Wh?kg-1；在石墨烯紙上電沉積MnO2 制備的二元復(fù)合紙比電容可達(dá)328 F?g-1；Wang等[10]通過在石墨烯紙上陽極電化學(xué)沉積的方法制備的復(fù)合紙比電容可達(dá)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(dá)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(jì)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(dá)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(xué)一項(xiàng)研究顯示，石墨烯的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管，碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)3000 W?Mk-1以上，而單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5300 W?Mk-1、甚至有研究表明其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)6600 W?Mk-1。把石墨烯作為增強(qiáng)材料加入聚苯乙烯中，可得到強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱好、質(zhì)量輕的復(fù)合材料；在聚合物中加入5％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的石墨烯后，復(fù)合材料導(dǎo)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(dǎo)熱材料，因?yàn)槭┏S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(jì)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(dá)140°。布法羅大學(xué)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?yàn)槭┑母呤杷砸约蔼?dú)特的納米結(jié)構(gòu)，可以將其運(yùn)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(shí)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(dǎo)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(dǎo)電率能阻止靜電堆積，消除火花、爆炸等危險(xiǎn)。目前，以碳納米管作為添加劑的導(dǎo)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(dǎo)電性能，且制備成本更低，完全可以用于導(dǎo)電功能塑料領(lǐng)域。制備的聚合物基/石墨烯復(fù)合材料(石墨烯含量為2.5%)導(dǎo)電率可達(dá)1 S?m-1左右，比用碳納米管填充的聚合物復(fù)合材料導(dǎo)電率高4倍。基于石墨烯的導(dǎo)電功能塑料還可以運(yùn)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(dǎo)電性塑料在靜電噴涂前需要進(jìn)行的表面導(dǎo)電化處理。

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