石墨烯能给手机带来什么

2018年10月23日,三星在其官方微博上预告了石墨烯电池的使用。据称,该电池在12分钟内即可将手机充满电,而无需使用目前市面上最多的VOOC快充头。在此之前,华为宣布,华为Mate20X采用了石墨烯液冷散热技术,通过搭载一层石墨烯散热膜,手机的急速冷却性能获得大幅提升,即便长时间运行高耗能应用,也能让机身保持“冷静”。

近年来,手机已成为很多人最重要的生活必需品,而手机厂商们为何青睐石墨烯材料,频频围绕石墨烯展开攻关呢?真正搭载石墨烯“黑科技”的手机又离我们有多远呢?

碳是自然界中万事万物的重要组成物质,也是构成生命有机体的主要元素。石墨和金刚石是两种典型的单质碳,也是最早为人们所熟知的两种碳的三维晶体结构,属于天然矿石。

20世纪80年代,纳米材料与技术获得了极大的发展。纳米碳材料也是从这一时期开始进入历史舞台的。1991年,由石墨层片卷曲而成的一维管状纳米结构——碳纳米管被发现。2004年,石墨烯出现在碳材料的“家谱”中。每一次新的碳材料出现,不但为科学界带来了新的研究风向,更为工业界注入了创新活力。

顾名思义,石墨烯与石墨有一定的渊源。以大家日常生活中最常见的铅笔为例,用铅笔写字时,纸上留下的黑色笔迹中包含了无数石墨小颗粒。在显微镜下可以清晰观察到这些小颗粒其实是由石墨薄片构成。随着薄片厚度的逐渐减小,石墨就会过渡到碳的另一种晶体结构:石墨烯。简单来说,石墨烯就是单层石墨层片,是构成石墨的基本结构单元。

脱胎于黑色石墨中的“黑材料”石墨烯,在最近十余年的科学界无疑是最为炙手可热的“明星”,而自石墨烯中诞生的“黑科技”也是层出不穷。我们不止一次听说过“石墨烯手机”“石墨烯电池”的概念,这其中有的是商家炒作,有的是货真价实的新技术。我们不能简单地把石墨烯当做一个形容词来看,其实这些概念的正确解读方式是:“在某些部件上采用了石墨烯相关的新技术的手机”和“在某一结构上采用了石墨烯材料来提升性能的电池”。为了让更多的读者和消费者能对“石墨烯”材料有正确的了解,接下来我们就以一部手机上可能应用到石墨烯技术的部分为例,为大家逐步揭开石墨烯的神秘面纱,向大家展示未来石墨烯真正有可能实现的具体技术应用。

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锂离子电池的研究起源于20世纪70年代,早期的锂电池采用金属锂作为负极材料,由于充放电过程中产生的一些问题没能彻底解决,其安全性和循环性能一直不理想。直到1990年前后,索尼公司开发出了以碳为负极,锂可逆嵌入或脱嵌的锂离子电池,锂离子电池才得以大规模推广。锂离子电池具有高能量密度、高电压、自放电效应小、循环性能优越、环境友好等优点,是一种理想的绿色电源。

石墨是一种优秀的锂离子电池负极材料。石墨的导电性好,洁净度高,片层结构利于锂的嵌入与脱嵌,且锂原子嵌入石墨后电位基本保持不变。研究发现,当石墨层间被“撑开”时,石墨从二维的层状结构变为三维的体状结构,由于材料结构具有的一些特点,其储锂容量会显著提升,也就是说,通过将相等质量的石墨烯组装成更无序更“混乱”的结构,既可提升锂离子电池的容量,也可以改善锂离子电池的循环稳定性,从而使电池的寿命更长。

除了作为锂离子电池的负极材料,石墨烯还可以作为导电填料添加在正极材料中,提高正极的导电性和循环稳定性,综合来看,石墨烯应用于锂离子电池是未来必然的发展趋势。

石墨烯具有良好的导电性、化学稳定性及优异的透光性。在整个可见光光谱上,石墨烯的光透过率维持着统一的分布。相比传统的透明电极材料氧化铟锡,其潜在优势非常显著。另一方面,由于石墨烯具有柔性,可以通过转移的方法加工到柔性触控面板上。同时兼具两种优异性能的石墨烯,毫无疑问是未来柔性触控显示屏的热门候选。

曼彻斯特大学的科研人员将石墨烯薄膜作为透明电极应用于液晶器件中,取得了很好的效果。而在LED器件中引入石墨烯,可以改善电极的透光特性,降低电阻,提高器件的可靠性。在被誉为画质最佳、分辨率最高的OLED器件中,由于石墨烯高强度、高导电性、柔性触控以及透明等优点,相关厂商都在努力让OLED和石墨烯强强联手,在显示领域开拓新天地。

电子产品的散热是影响电子产品功耗和寿命的关键因素,散热性不好的电子设备往往在微型化和性能上存在问题,此外,其可靠性也不尽如人意。在过去的几代智能手机中,手机厂商们主要是通过大面积的金属背板,附加限制最高的工作温度来实现手机的温度控制,然而这与消费者对手机轻量化、高性能的追求是背道而驰的。

低维碳纳米材料,如石墨烯和碳纳米管等,因为其极高的弹性常数和平均自由程,具有很高的热传导率,又因其在高温下的稳定性,可用作高效散热材料,散热能力比普通铝合金高四倍。

手机上的扬声器和耳机都是发声器件,发声器件是将电信号转化为声学信号的电子器件,最早的发声器件可以追溯到1877年爱迪生发明的留声机。现有的发声器件多种多样,按照工作原理可以分为电磁发声、电容发声以及压电发声,其工作本质是借助薄膜结构的振动,从而推进空气波动发出声音。

传统发声器件的振膜材料主要为塑料振膜,其优点是可塑性较高,易加工,成本低,但是刚性较差,容易导致失真。而碳材料,包括碳纳米管、石墨烯和碳纤维,既容易加工成膜结构,还具有质量轻、刚性好、失真小、内阻大等特点。目前市面上使用碳材料做振膜的耳机普遍售价较高,在耳机发烧圈内备受青睐。而随着未来碳材料合成成本不断下降,极有可能取代塑料振膜,成为大众市场的主力军。

在传统发声领域之外,由于以石墨烯为代表的碳材料具有比塑料材料优越的热学性能,它可以被用于热电发声。有别于传统的发声技术,热电发声的工作原理是将输入的交流电转换成为周期性波动的焦耳热,该热能使得空气收缩膨胀从而产生声波。不过这一技术目前的主要瓶颈是功耗较高,不具备节能的特性。

基于石墨烯所具备的优异热学性能和轻巧柔性的特点,石墨烯可以被用来制作全柔性超薄透明石墨烯耳机,与当下最流行的AirPods无线入耳式耳机相比,石墨烯耳机不仅具有更好的柔韧性以贴合耳部,还具备生物兼容性,对人体没有任何负面影响。对于需要长时间佩戴耳机进行工作或通话的某些特定人群,或者是追逐时尚的都市年轻人,甚至是需要助听器的听障人士,一款基于石墨烯的全柔性耳机都具有重要的意义。

如果将手机比作人体,那么电池就像人的消化系统,负责提供能量;显示屏就像人的外貌;散热装置就像人的血液循环;声学部件就像人的感官系统;处理器则相当于人的大脑,是最为核心的元件。

目前,硅作为信息技术和能源两个重大领域的龙头材料,至今仍然发挥着无可替代的作用。基于单晶硅的集成电路芯片是当今高科技产业的基础。随着“摩尔定律”无法再适用于目前硅基晶体管器件的更迭,人们在全力寻找可以替代它的新材料。碳元素作为元素周期表中硅的同族元素,具有与硅相媲美或者更胜一筹的性能,石墨烯的出现,一度被认为是电子信息技术领域的“救世主”,是续写“摩尔定律”的不二人选。

目前,硅基处理器再创新高,工艺技术突破至7纳米。碳材料已经可以在实验室中实现1纳米的处理器。当然,这一石墨技术从实验室走到生产线上还存在很大的距离,但是可以预见未来将有手机搭载碳基处理器的那一天。

毫无疑问,这些石墨烯“黑科技”离我们日常生活的距离已经越来越近,仅在一台智能手机上,便有如此多的潜在应用空间。相信在不远的未来,它会走进我们的生活,融入我们的生活。

(作者胡皓闻为清华大学材料学院博士生,朱宏伟为清华大学材料学院教授、博士生导师)