石墨烯及其在汽车中的应用1

石墨烯及其在汽车中的应用靳瑜张金华(郑州日产汽车有限公司, 河南郑州, 450016)摘要：石墨烯是碳的一种同素异形体，具有高的比表面积、良好的力学、导电、导热等性能。

本文简单介绍了石墨烯的性质、结构、制备方法。

同时，结合其性能总结和展望了石墨烯在汽车中的应用。

相信随着石墨烯性能的进一步挖掘以及相关技术的进步，其在汽车中的应用将愈加显著。

关键词：石墨烯，新材料，汽车，应用Graphene and Its Application in AutomobileJin Yu, Zhang Jinhua(Zhengzhou Nissan Automobile Co., Ltd., Zhengzhou, 450016, People's Republic of China) Abstract: Graphene as a carbon allotrope has a high specific surface area and good properties of mechanics, thermal and electricity conductivity. The paper described the nature, the structure and preparing methods of Grapheme briefly. Meanwhile, the possible applications that Graphene in the automobile were summarized and forecasted combined with its performances. It was believed its applications in automobile would become more significant as the properties of Graphene were grubbed further and some new technologies were perfect.Keywords: Graphene, New material, Automobile, Application1 引言从生活的奢饰品到生活的必需品，汽车已拥有100余年的发展历史，其主要有发动机、底盘、车身、电气设备等四个基本部分组成。

汽车在为人类带来享受的同时，其带来的能源衰竭、环境恶化、资源浪费等问题也在影响着人类赖以生存的地球。

面临严峻形势，研发新技术、使用新材料，实现人与环境和谐相处，已经成为汽车工业发展的主旋律。

在新材料领域，以车身轻量化、新能源汽车研发等为出发点，努力发展环保型汽车，以达到节能减排目的。

石墨烯是碳的一种同素异形体，在2004年为Geim等所发现[1]，并于2010年获诺贝尔物理学奖。

石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最薄、最理想的二维纳米材料，其与富勒烯、碳纳米管、金刚石一起构筑起碳从零维到三维的完整同素异形体谱系。

目前，在汽车领域，石墨烯及其复合材料的应用还比较少，但作为其同胞兄弟的碳纳米管已经显示出诱人的应用前景。

本文结合石墨烯的性能以及现阶段所取得的研究成果，总结、展望了石墨烯及其复合材料在汽车中的应用。

2 石墨烯介绍传统石墨与石墨烯结构如图1所示，作为最薄的二维纳米材料，决定了其具备大的比表面积；作为高度结晶的碳材料，其具有比无定型石墨更高的导电、导热性能。

同时，石墨烯也是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一，韧性好，有实验表明，它们每100 nm距离上承受的最大压力可达2.9 u N[2]。

此外，作为一种碳材料，其还具备碳所具备的常见特性，如耐磨性等。

目前，石墨烯的制备方法主要有化学法和机械法两种[3]。

化学法包括化学还原法与化学解理法等；机械法包括取向附生法和加热碳化硅法、微机械分离法。

研究至今，石墨烯基本可以实现低成本量产化，这也为其工业化运用奠定物质基础。

图1 三维层状石墨(a)与二维片状石墨烯(b)[4]3 石墨烯在汽车中的应用3.1 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。

(1)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。

Yoo等[5]将石墨烯作为负极材料应用于锂离子电池，发现其比容量可以达到540 mAh·g-1；Takamura[6]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；Wu等[7]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。

(2)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。

Zhu等[8]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；Cheng 等[9]在石墨烯纸上电沉积MnO制备的二元复合纸比电容可达328 F·g-1；Wang等[10]通过在石2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。

(3)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。

Dimitrakakis等[11]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。

3.2 轻量化材料汽车轻量化是节能减排的一个重要方向。

研究表明，在不降低汽车刚性和碰撞性能的前提下，重量减轻10%，油耗将相应减少6%～8%[12]。

哥伦比亚大学James等测得石墨烯的强度是世界上最好钢强度的100倍，利用原子力显微镜测量石墨烯的力学性能，其杨氏模量可达0.5 TPa，弹性系数为105 N·m-1[13]。

因为良好的力学性能，加之低密度，使石墨烯可作为提高材料力学性能的增强相，广泛应用于车用轻质复合材料的开发。

3.3 车用功能复合材料(1)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[14]。

周春玉等[15]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；Wang 等[16]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。

(2)车身涂装领域在理论领域，Leenaerts等[17]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。

苏庆等[18]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。

(3)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[19]。

随着技术的成熟，基于石墨烯的电路完全可以用于汽车。

(4)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)需要其导电率能阻制静电堆积，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。

Sasha等[20]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。

4 结语随着汽车工业发展，“人车生活”的和谐理念逐步为消费者所接受，这对汽车未来发展提出更高的要求，而车用新材料的研发、运用将一定程度上助力于这种要求变为现实。

石墨烯作为一种在力学、导电、导热等方面性能优良的新型轻质材料，其在汽车领域已显示了诱人前景，相信随着技术的进步以及石墨烯更多性能的挖掘，其在汽车中的应用前景将更加广阔。

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