應用現狀｜石墨烯與金屬、玻璃纖維和鈣鈦礦等材料的結合
石墨烯和金屬
解決未來銅短缺問題
隨著全球電氣化程度的不斷提高，對金屬，尤其是銅的需求將在未來幾十年以一個數量級增長。另一方面，預計到2030年，銅短缺將達到1,000萬噸。
石墨烯旗艦關聯成員GraphMaTech(瑞典)旨在減少銅的需求，用石墨烯取代部分銅。與單獨使用銅相比，銅-石墨烯復合材料在硬度、楊氏模量和室溫抗拉強度等方面表現更好。此外，石墨烯填料保持了銅的機械性能，并減少了電遷移效應（電遷移效應可能導致電路失去連接或故障）。
“我們已經開發出將石墨烯整合到金屬中的技術，目標是改進金屬 - 石墨烯復合材料。我們可以提高金屬材料的性能，這意味著在某些應用中需要較少量的金屬。石墨烯旗艦合作伙伴Graphmatech AB的首席執行官Mamoun Taher在由石墨烯創新旗艦工作包組織的“用石墨烯技術實現綠色轉型”網絡研討會上說：“我們正專注于電氣化應用，我們也在考慮在未來的氫經濟中使用與氫兼容的石墨烯金屬從稀有元素到碳
幾個研究小組正在關注這個問題。2017年，石墨烯旗艦合作伙伴查爾姆斯理工大學（瑞典）的研究人員研究了14種不同金屬的主要應用，并探索了如何用包括石墨烯在內的碳納米材料代替它們。例如，石墨烯可以涂覆觸摸屏和其他顯示器，取代氧化銦錫。
石墨烯在太空中的應用
來自石墨烯旗艦合作伙伴機構Université Bruxelles(比利時)、劍橋大學(英國)、CNR Bologna(意大利)和Leonardo(意大利)的研究人員測試了一種用于循環熱管的石墨烯基泡沫的熱和物理性能，這種熱管是冷卻衛星和航天器中的電子設備的傳熱裝置。冷卻效果是通過蒸發芯內的流體來實現的，芯通常由多孔金屬制成。通過在燈芯上涂上石墨烯泡沫，研究人員的目標是改善傳熱，因為石墨烯可以促進蒸發。這種泡沫還提高了燈芯的毛細管壓力，允許工作流體更快地通過回路熱管。2017年，該測試由歐洲航天局（ESA）和Novespace（法國）運營的拋物線飛行中進行。
石墨烯和玻璃纖維石墨烯為玻璃纖維提供了許多新功能
瑞典的石墨烯旗艦關聯成員Grafren AB在開發玻璃纖維石墨烯涂層方面取得了進展，這些涂層可用于多種用途，以獲得更輕的產品，提供EMI屏蔽并提高電氣，熱和機械性能。
與碳纖維相比，玻璃纖維在廣泛的選擇中提供了更低的成本，從用于航空航天應用的高質量樹脂注入層壓板到用于熱塑性塑料和注塑的短纖維。碳纖維和玻璃纖維都有各自的缺點。碳纖維非常昂貴，限制了它們只應用于高端產品。它們也很脆，當施加相當低的沖擊能量時可能會破裂。玻璃纖維具有較低的機械特性，較重，對溫度敏感且無電活性。
Grafren AB現在成功地采用了一種基于用石墨烯薄片直接涂覆玻璃纖維的方法，以改善玻璃纖維的性能。傳統的石墨烯涂料或粘合劑涂層方法不適用于玻璃纖維。石墨烯和玻璃纖維必須在納米級上集成，在纖維表面組裝和排列石墨烯薄片。“我們使用石墨烯薄片以獨特的方式涂覆玻璃纖維。由此產生的涂層類似于蛇皮，纖維表面排列著許多薄片并相互重疊，“石墨烯旗艦會員Grafren的首席執行官Erik Khranovskyy解釋說。此前，該團隊已經使用相同的方法成功地演示了輕質柔軟的電子紡織品——導電織物的制造。
石墨烯涂層玻璃纖維vs裸玻璃纖維(圖源：Grafren AB)
“我們通過涂覆20多種類型、尺寸和編織幾何形狀的玻璃纖維來驗證這種方法，精確控制涂層的均勻性和導電性。通過改變每根纖維上薄片涂層的厚度，我們能夠精確地調整玻璃纖維織物的薄片電阻，從1 MOhm/sq到10 Ohm/sq，“Grafren 的首席技術官 Mike Zhybak 說。
不同涂層厚度和各自不同導電性的石墨烯鍍膜玻璃纖維(圖源：Grafren AB)可控制的導電性為玻璃纖維增加了令人興奮的功能：例如，涂有石墨烯的獨立玻璃纖維層可以用作復合材料部件內部的電線。當應用到車輛上時，這種材料可以傳輸低電流信號，降低車輛的總重量，并消除了沉重而昂貴的銅線的使用。Khranovskyy指出：“石墨烯是一個完美的選擇，因為復合材料的機械強度不會受到影響。”
其次，石墨烯涂層的玻璃纖維可以屏蔽電磁干擾(EMI)。Grafren觀察到在1 MHz-40 GHz頻率內可控制的EMI屏蔽效率可達60 dB。該功能可能適用于電動汽車的電池盒，由于成本較低，玻璃纖維優于碳纖維。此外，目前金屬箱的重量在90公斤至160公斤之間，使其成為電動汽車最重的部分，而石墨烯基復合材料可以將重量減輕30%至40%。
石墨烯導電性賦予玻璃纖維的另一個重要功能是焦耳熱——由于電流通過而產生熱量。這可以應用于電動汽車或飛機的內部供暖，以及空中交通工具的除冰功能。
“雖然大型和民航飛機擁有相當先進的除冰系統，但小型飛機和無人機在冰凍條件下運行往往具有挑戰性，”Grafren首席技術官Mike Zhybak解釋說。“這就是Grafren 的解決方案可以發揮作用的地方。我們提供石墨烯涂層玻璃纖維，作為小型飛行器復合材料結構的頂層集成。
此外，根據Grafren的測試，玻璃纖維的導熱性在石墨烯涂層后提高了約100倍。此功能對于某些應用非常理想，例如發動機和電機，在這些應用中，必須通過復合結構有效地去除多余的熱量。石墨烯的導熱性將熱量傳播到環境中。這是一項極其重要的功能，尤其是與EMI屏蔽結合使用時。
“裸露的玻璃纖維在1500°C的燃氣燃燒器點火下，6秒后熔化，而石墨烯涂層的玻璃纖維能夠承受120秒。簡單地說，一個覆蓋著石墨烯涂層玻璃纖維的電池盒可以讓著火的電動汽車上的乘客多出20倍的時間離開汽車——因此，存活的幾率也更高，”khranovsky興奮地說。
最后，玻璃纖維的石墨烯涂層對機械性能有積極影響：復合材料的抗沖擊性提高了200%。這有可能使使用玻璃纖維進行沖擊能量阻尼的產品重量減半。“我們正在進行最終測試，以創建明確的客戶價值主張，”Erik解釋道。
石墨烯和鈣鈦礦在光伏領域取得進展
鈣鈦礦在吸收光子方面非常有效，光子可以轉化為電流，從而為太陽能電池創造了一種令人興奮的硅替代品。由于硅太陽能電池已達到其理論上的功率轉換效率極限，鈣鈦礦太陽能電池已成為低成本、輕量、靈活的光伏替代品。
盡管鈣鈦礦太陽能電池表現出優異的性能，但隨著組件尺寸的增加和在室外條件下，其效率會迅速下降?？諝?、濕度和受熱會降解鈣鈦礦，從而降低其優勢。在這里，石墨烯可以提供幫助：它是疏水的，可以保護鈣鈦礦太陽能電池免受大氣降解。它還可以提高太陽能電池的整體電氣性能?？死锾貚u的第一個太陽能農場
石墨烯旗艦公司的能源生產工作包將石墨烯和相關材料結合到鈣鈦礦電池中，并達到了創紀錄的性能和穩定性水平。該項目產生了第一個石墨烯鈣鈦礦太陽能農場。它被安裝在克里特島的戶外，峰值功率輸出為250w，可與商用60片硅太陽能電池板相媲美。
該實驗由石墨烯旗艦合作伙伴希臘地中海大學(希臘)、羅馬托爾韋爾加塔大學、BeDimensional S.p.A、Greatcell Solar Italia SRL、意大利理工學院和國家研究委員會(意大利)的研究人員進行。
“我們證明，使用層狀材料，如石墨烯和二硫化鉬，可以改善鈣鈦礦太陽能電池的界面性能，不僅在實驗室規模上，而且在實際條件下測試的大面積面板上，從而將技術準備水平推到6-7左右的高值，”團隊的主要成員之一，來自羅馬托爾韋爾加塔大學石墨烯旗艦合作伙伴的Aldo di Carlo在他們的成功結果后說。使產品更接近市場石墨烯旗艦先鋒項目GRAPES通過將平均能源成本降低到每兆瓦時20歐元以下，推動太陽能電池技術向前邁進了一步。由意大利Enel Green Power公司領導的GRAPES團隊旨在將鈣鈦礦電池的性能和穩定性提高到創紀錄的水平，并使用石墨烯和層狀材料、鈣鈦礦和硅的堆疊層制造具有成本效益的光伏電池板。
參考資料
1. Arvidsson, Rickard, and Björn A. Sandén. "Carbon nanomaterials as potential substitutes for scarce metals." Journal of Cleaner Production 156 (2017): 253-261.
2. Weng, Zhichao, et al. "Wafer‐Scale Graphene Anodes Replace Indium Tin Oxide in Organic Light‐Emitting Diodes." Advanced Optical Materials 10.3 (2022): 2101675.
3. Pescetelli, Sara, et al. "Integration of two-dimensional materials-based perovskite solar panels into a stand-alone solar farm." Nature Energy (2022): 1-11. https://www.nature.com/articles/s41560-022-01035-4
