“如果我们全国高铁10%的电机，用上这种‘超级铜’材料，那我们可以一年节省出180多亿度电，相当于节省出一个葛洲坝电站。”

2月11的《焦点访谈》节目中，国家石墨烯创新中心主任、中科院宁波材料所研究院刘兆平对超级铜作出了以上评价。

超级铜是什么？相较于普通的铜有什么不一样？

简单而言，超级铜是金属铜和石墨烯叠加而成的复合材料。加了石墨烯的铜，导电性能大大提升，而且不影响铜原本的机械性能。目前，导电性能最强的纯金属材料是“导电性能之王”银。然而，据美国铜协会认定，超级铜是目前室温测到的最高电导率的金属导电材料，比银还要高出10%。

石墨烯+铜，为什么会诞生超级铜呢？

众所周知，石墨烯被称作“新材料之王”，具备超过的导电性、柔韧性、热传导性等等。石墨烯的载流子室温迁移率大于150000C㎡/（V·S），为硅的100倍，理论电导率达10X10⁷S/m，

比铜（5.7X10⁷）和银（6.3X10⁷）还高。石墨烯和铜结合，利用石墨烯优异的导电性能和力学性能，使得电子又多又快，实现了石墨烯和铜的优势互补。

那么，具备超高导电性能的超级铜有什么用处呢？

正如文章一开始提到的，最直接的一个功能便是省电。所以，超级铜也有另一个称号——“超级充电线”。

以高铁领域的应用为例，目前，我国高铁的时速为350公里，目前正在向400公里迈进。而高铁轨道上方都有用于输电的接触网导线，这根看似普通的导线，源源不断地为高铁提供电能。同时，由于高铁用电量大、时速高，所以需要导电性能高、耐高温、柔韧度和强度都极佳的导线。

2021年，中科院深圳先进院副研究员王鑫在接受采访时就曾表示：“我国高铁时速马上要达到400公里，这就需要升级版的‘超级导线’，我们觉得石墨烯+铜是很好的解决方案。”

除开高铁，超级铜还可应用于多个领域，如工业驱动领域的电机、变压器；新能源领域的汽车、风力发电、光伏发电、核电；高端应用领域的通讯和工控芯片；电力行业的电力电缆、电气柜。

实际上，早在2021年，中车研究院就表示，其已初步搭建150吨的超级铜中试试验线，形成“超级铜制造+计量检测+装备研制+终端应用”的全产业链技术能力。此次《焦点访谈》节目中出现的“超级铜”，便由中车研究院与上海交通大学张荻团队联合研发。

目前，超级铜已经实现了小批量量产，大批量规模化生产也将成为可能。同时，基于超级铜的优异导电性，它将在未来广泛应用于各大基础领域。更为重要的是，超级铜能大大提升了传统金属材料的导电率、降低了能耗，这也我国碳中和、碳达峰的目标不谋而合，十分符合我国绿色清洁发展的需要。

基于以上，超级铜担得起“超级”这一评价，它的意义将是革命性的。当然，超级铜的诞生离不开一个关键性材料——石墨烯。

作为近些年最火的材料明星，石墨烯一直以来都被寄予厚望。如今，石墨烯已在涂料、医疗、制造等多个行业崭露头角。

此次的《焦点访谈》中，也重点介绍了以国家石墨烯创新中心为代表的一批国家制造业创新中心。2022年10月，国家石墨烯创新中心由工业和信息化部批复组建。而从2016年起，我国就开始创建国家制造业创新中心，其目的就是解决我国产业创新能力不强的难题。2021年12月底，工信部发布《“十四五”原材料工业发展规划》，新材料产业也被列入其中，并被视作支撑国民经济发展的基础性产业和赢得国际竞争优势的关键领域。

以上种种，都充分证明了国家政策方面对石墨烯的高度关注。目前的石墨烯市场，虽然涌现了一些新技术、新公司、新产品，但依旧处于产业化发展的前期。究其原因，石墨烯产业投入成本高、投入周期长、风险高，普通企业难以长期投入发展。国家政策层面的支持，也将为石墨烯产业的发展注入强劲的动力。在企业、科研院所、创新平台的协同作用下，石墨烯产业也将迎来如“超级铜”一般的技术突破。

石墨烯，在防腐涂料领域变得越来越重要。

11月11日，中建八局官方公众号发布消息，吴明红院士工作站和工程研究所研发的石墨烯桥梁结构防腐技术研发成功，并在青岛的桥梁工程领域首次成功运用。

据介绍，此次建设的青岛海洋活力区跨风河新建桥梁工程–海口路跨风河大桥，是国内首座采用超大“A”字形钢主塔竖向转体施工技术的桥梁。而在桥塔竖向转轴的特殊位置，内部结构相对更复杂，受力也更集中，防腐要求也比较高。

新研发的石墨烯防腐涂层，很好地解决了以上痛点。

据悉，跨风河新建桥梁工程研发团队用了2道80 μm的石墨烯防腐底，取代了此前的冷喷锌封闭剂方案。石墨烯防腐底喷剂有两个好处，一是涂覆厚度减少了一半，二是使用年限大大提高，增长了25%到50%。

石墨烯防腐涂层的成功运用，也是这次桥梁工程建设的关键技术突破点。众所周知，工业生产中需要用到大量的金属制品，但金属制品大多存在腐蚀问题。

相关数据显示，每年因为腐蚀而产生的经济损失高达2到3万亿美元。更可怕的是，腐蚀也会带来极大的健康和生命威胁。《中国腐蚀调查报告》指出，中国的腐蚀损失占GDP的5%，腐蚀还会引发过重大安全事故，造成人员伤亡等严重后果。

现有的金属防腐技术，主要包括防腐蚀设计、缓冲剂防腐蚀技术、化学镀和电镀技术、电化学保护、防腐涂层技术。其中，通过在设备表面涂敷新材料形成防护膜是比较常用的防腐蚀技术。也有相关研究表示，在长期的实践应用中，涂层保护被证明是防腐操作简单、防腐效果好的一种防护方法。

所以，如何借助新型涂敷材料更好地预防根治腐蚀生锈问题？也就成为了材料领域的研究重点。

目前而言，“新材料之王”石墨烯是一个十分不错的运用方向。专业人士指出：“石墨烯是目前已发现的最轻、最薄、强度最高、导电性和导热性最好的纳米级防腐新材料。”

石墨烯具有出色的化学惰性、抗氧化能力和阻隔性能。相较于更常见的冷喷锌防腐，石墨烯防腐技术的综合性能表现更好，具有良好的防腐、抗老化性能，耐盐雾高达2000小时以上，仅100微米就能实现15～20年防腐。此外，石墨烯涂料更加绿色环保，符合节能减排、低碳发展的工业化发展趋势。

去年8月，世界首座跨海高铁大桥——福厦高铁泉州湾跨海大桥，同样采用了自主创新的“石墨烯重防腐涂装体系”。建设之前，泉州湾跨海高铁大桥的设计标准为100年，所以必须找到一种新材料，实现桥梁耐久防腐和减少维护的目标。

最终，桥梁建设团队决定采用“石墨烯重防腐涂装体系” 。该技术的防腐性能较传统重防腐材料提高3倍以上，打破了国内已建成桥梁25年的最长设计防护寿命，实现了30年超长防腐寿命的突破。

石墨烯重防腐涂装体系，不仅增加了桥梁的使用寿命，减少了维护成本。更重要的是，石墨烯防腐涂料是我国自主研发的新一代防腐涂料发展方向，十分有利于打破国外涂料巨头在重防腐涂料市场的垄断。

石墨烯作为一种无毒无害的绿色环保材料，也十分符合涂料行业绿色转型的发展诉求。

我国的防腐涂料市场，规模十分庞大。防腐涂料在大型工业、海洋工程、现代交通、石油石化、能源工业、市政设施等领域广泛运用。2018年，我国防腐涂料产量近500万吨，市场规模超过1900亿元，高端防腐涂料主要被国外企业垄断。而我国防腐涂料的市场规模依旧处于高速增长阶段，尤其是建筑钢构重防腐涂料。

相关政策十分重视石墨烯在防腐涂料领域的运用，在工信部公布的《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》中，石墨烯改性防腐涂料作为应用于桥梁、钢结构、管道、储罐、汽车的前沿新材料入选。

基于以上，石墨烯在防腐涂料领域具有广阔的市场空间和发展机遇。

目前，石墨烯在防腐涂料领域的应用还处于起步阶段。但在不久的将来，石墨烯改性防腐涂料将广泛运用于桥梁、石化设施、储罐、轨道交通、建筑钢结构、海工、风电、汽车等领域，防腐涂料行业也将迎来一场新的技术和产业革命。

石墨烯电池、锂电池、铅酸电池，到底有什么区别？哪个更好？

先从一起案件说起。浙江温州，消费者张女士花3000多买了一辆电动车，官方宣传内置石墨烯电池。结果张女士回家扫码发现，车内的电池并非石墨烯电池。张女士通过品牌官方和店家了解到，原来是店家私自把原装石墨烯电池换成了铅酸电池。

店家表示，要想换回石墨烯电池需要额外付钱。最终，店家把商家告上法庭。经法院审理，商家因涉及欺诈消费者，被判决“退一赔三”。

消费者利益得到保障，商家受到惩罚，这是一个十分圆满的结果。但这起案件背后，还有一些问题值得思考。

问题一，商家为什么把石墨烯电池换成铅酸电池？

最直接的原因是便宜。目前的电动车市场上，有两种主流电池，分别是锂电池和铅酸电池。相较于大众熟知的锂电池和铅酸电池，石墨烯电池听起来明显更有科技感。在商家的宣传中，石墨烯电池有诸多优点，比如：充电更快、续航更长、寿命更长，每一点都完美击中消费者的痛点，所以受到了不少青睐。

电池原材料的变化和电池性能的提升、加之商家的宣传，都让石墨烯电池的价格水涨船高。可问题在于，市场上的石墨烯电池，并非大众理解的石墨烯电池。

提及石墨烯，大众首先想到的是新一代材料之王、当代黑金，两位科学家因为发现石墨烯获得诺贝尔奖。在这些光环的加持下，但凡商品跟石墨烯扯上点关系，都提升了几个档次。在一众石墨烯商品中，石墨烯电池又是热度最高的。石墨烯作为一种几近完美的导热材料和电导体，近几年的确逐渐被应用于电池领域，可它的实际效果却被夸大许多。

所谓的石墨烯电池，并非真正的石墨烯电池！

教育部长江学者、国家杰出青年科学基金获得者、天津大学化工学院教授杨全红曾指出：“其实，称这些电池为石墨烯电池并不十分科学和严谨， 并且这个概念也不符合行业命名原则，非行业共识。”

目前的电池行业，一般遵循“正极—负极活性材料”的原则。比如我们常说的锂电池，其全名为“钴酸锂–石墨电池”。为了方便推广，以正极材料命名为锂电池。而现有的石墨烯电池，并非以石墨烯为主要正极材料，而是和其他离子一起组成石墨烯某离子电池。在现有的电池技术中，石墨烯更多是发挥其导电功能和散热功能，以添加剂和涂层的形式优化锂电池性能。

基于以上，石墨烯电池本就是个不严谨的说法。此外，也有专业人士指出：“不具有层状结构的石墨烯用作锂电负极的产业化前景不乐观，纯石墨烯的充放电曲线与硬碳和活性炭材 料非常相似，还有首次循环库仑效率低、没有充放电平台及循环稳定性差的缺点。”

这也就意味着，纯粹的石墨烯电池现阶段并不存在。这主要是因为，石墨烯的成本和技术都无法适用市场需求。

《Nanowerk》相关文章指出：“石墨烯薄膜每平方米四万五千至十万美元，工业生产方法和成本正在限制石墨烯的实用性。其认为，当今世界生产的石墨烯质量相当差，并不非常适合大多数应用。”

复旦大学高分子科学系教授卢红斌在接受媒体采访时表示，“目前，石墨烯的平均价格在每公斤1000元”。

相对高昂的价格和并不成熟的提取技术，都是石墨烯商业化之路上不可忽视的障碍。不过理论上看，石墨烯电池依旧前景光明。

目前，石墨烯在电池领域也有了一些新的研究进展，比如，石墨烯的准固态锂 – 氧电池、石墨烯基三维导电网络结构储能电极材料、石墨烯应用于准固态可充电 N a – C O2 电池、石墨烯基复合电极在非对称超级电容器上……

此外，石墨烯在商业市场的应用也逐渐广泛。相关数据显示，从2016年到2020年，我国导电剂用石墨烯市场规模从19亿增长至139亿元；石墨烯相关企业注册量也从2015年的1003家增长至13422家。

同时，国家有关部门高度重视石墨烯行业的发展。《2021年工业化和信息化标准工作要点》中指出，要开展包括高端钢铁材料、航空发动机用高温合金材料、石墨烯在内的多种新材料和关键材料标准制定。

这种种都意味着，石墨烯的技术研究、商业化应用都属于蓬勃发展阶段。相信在不远的未来，石墨烯电池也能从想象变为现实。

“冰益壮，地始坼。” 冬至刚刚过去，全国绝大部分地区都处于凛冽的寒冬时节，保暖也就成为了人们最重要的诉求。

市面上，各种新兴取暖神器层出不穷，主打“石墨烯”概念的冬日神器更是火热。电商平台上，消费者可以便捷地买到石墨烯暖手宝、石墨烯电暖器、石墨烯电热毯、石墨烯羽绒服等诸多产品。

然而，冠以“石墨烯”之名的过冬神器，真有这么神奇吗？

先看一段关于石墨烯的介绍：“石墨烯(Graphene)是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料 。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。”2010年，两位科学家因为成功分离石墨烯获得诺贝尔奖。

单从性能来看，石墨烯的确有优化服装性能的特性，可实际的保暖功效呢？前段时间，上观新闻的记者采访了东华大学纺织学院的教授兼博导王府梅。王教授表示：“如果衣服真的含有石墨烯，会迅速把人体的温度向外部传导，这能发挥保暖效果吗？”不仅不保暖，还具有良好的散热特性，这才是石墨烯保暖衣物的真相。不过，这也并不意味着石墨烯不能运用在保暖衣物中，前提是衣服得有一个热源，通过通电等间接手段发热，借由石墨烯快速传导热量，而不是直接由石墨烯发热。

实际上，早在2018年平昌冬奥会的“北京8分钟”中，石墨烯发热服就曾亮相。当时，主创团队为了让演员在零下环境中，穿上暖和的衣服正常表演，特地利用石墨烯超高导热系数的特性，研制出了超薄透明的石墨烯电热薄膜技术。据介绍，该款石墨烯演出服能够在低温下智能发热保温。相关负责人表示，这款发热服不仅要有发热功能，还要保证材料的安全、电池的续航能力和服饰的舒适度。同样，今年年初的北京冬奥会中，颁奖服同样采用了石墨烯发热技术。由此可见，一款合格的石墨烯发热服有着极高的标准，市面上大多石墨烯保暖衣服仅仅处于“概念”阶段。

除开导热功能，石墨烯在纺织行业还有很多优异的性能有待开发应用。

其一，抗静电性能。由于石墨烯具备良好的导电性能，所以可以加速纺织物表面的电荷消散，从而达到抗静电效果；其二，防紫外线性能，石墨烯具备独特的光学特性，如与波无关的光吸收，能够提高其改性织物的防紫外线性能；其三，抗菌性能，石墨烯具备良好的生物相容性，抗菌能力强，无毒无害。除开以上常见性能，石墨烯改性织物还具备防弹性能、电磁屏蔽性能等等，以上可用于特殊行业的织物应用。

除开以上，石墨烯改性织物还有一个巨大的优点，那就是安全环保、易分解。纺织行业的废水污染一直是老大难问题，而且严重威胁人类的长期发展。而石墨烯可以助力有机染料形成无毒分子，石墨烯良好的光催化效果也可以很好地降解纺织废水和染料。

基于以上性能，石墨烯终将引领纺织行业新一轮的“材料革命”。不过目前，真正的石墨烯纺织材料依旧较少。主要原因在于，一是石墨烯价格高昂，生产成本高；二是大众对石墨烯织物的接受度和认可度并不高，目前的石墨烯相关产品依旧属于炒概念的阶段，并没有真正引起大众对石墨烯功能材料的认可。不过，随着石墨烯原材料制备的发展，石墨烯材料终将引领高端纺织材料的一次大发展和大革新。

借用国科学院院士、北京石墨烯研究院院长的一段话：“对于石墨烯材料来说，理想与现实之间还有一道鸿沟，需要花大气力去弥补、去跨越这道鸿沟。石墨烯材料必须找到它真正的’杀手锏’级的用途。把石墨烯作为添加剂去改善性能，这谈不上是’杀手锏’级的用途。真正的’杀手锏’级的用途其实会带来传统产业的升级换代，甚至创造全新的产业。”

最后，希望在不远的未来，石墨烯能在纺织、能源、农业、光电、生物医药、航空航天等诸多领域，绽放出其作为“新材料之王”全部的光辉。

研究背景

自计算机在上世纪70年代接上网络以来，计算机的研发人员一直在努力获取计算机新的知识，发现新的事实和理论，开发计算机新的功能，造福于人类。这就是开发人工智能（AI）的起源，目的是让机器实现类似人类的智能。安德烈·盖姆（Andre Geim）等人于2004年发现了石墨烯，引起了人们对二维材料的极大兴趣，进而促进其他二维材料（如金属硫族化物、过渡金属氧化物）不同程度的发展。石墨烯是二维材料中稳定性最高的，也有极高的导电性，超轻的质量。它具有2D结构，其中sp2键合碳原子排列在蜂窝或六角形晶格中。而石墨烯也不负众望，经过十几年的研究开发，石墨烯已成为21世纪的“新材料之王”。

成果简介

近日，清华大学朱宏伟教授和他的团队在Advanced Intelligent Systems上发表了题为“Recent Advances of Graphene and Related Materials in Artificial Intelligence”的论文。该团队重点综述了石墨烯等材料在机器学习和神经形态器件等方面的最新研究进展，主要阐述了基于石墨烯的人工突触的两种构建方法和基本原理，介绍了石墨烯基晶体管和忆阻器的最新进展，最后分析了石墨烯材料在人工智能应用中存在的问题和面临的挑战。

研究亮点

（1）石墨烯材料的基本概念和原理，AI，ML（机器学习）和AS（人工突触）;

（2）ML在石墨烯材料性能预测、结构识别、逆向设计、任务识别中的应用;

（3）石墨烯基晶体管和忆阻器在AS中的应用;

（4）石墨烯结合AI的总结和展望。

图文导读

人工神经网络（ANN）是一种模拟生物大脑的计算网络，由三个基本层（一个输入层，一个或两个隐藏层和一个输出层）组成。随着数据规模、多样性和不确定性的快速增长，ANN被进一步开发以引入一些模型，例如多层感知器（MLP）或深度神经网络（DNN），卷积神经网络（CNN），递归神经网络（RNN）和深度置信网络（DBN），从而生成ML的新分支（深度学习，DL）。深度学习模型使用大量的隐藏层，每层由数百个神经元组成。

图1. 深度学习模型

大量的神经元和突触负责人脑中的信息处理，神经元作为电和化学信号接收，处理和传输信息，而突触同时存储和处理信息。由大量神经元层组成的 DNN 是当今实际应用的最佳选择（图2a）。随着Ca2+的细胞内中心增加，STP被触发以促进神经递质的释放。一旦浓度达到阈值，就会触发LTP以增强原代α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸（AMPA）受体的通透性或在突触后膜中招募新的AMPA受体，并产生新的蛋白质以形成新的突触（图3b）。长期和短期可塑性由相应的PSC反映（图3c）。

图2、图3. 人工突触

图4. 电子特性

电子特性对于理解纳米级的复杂结构–功能关系至关重要，特别是对于2D材料。通过DFT计算具有任意浓度和构型的掺杂石墨烯的带隙，作为训练和测试数据集。2D矩阵被定义为材料描述符，以定量捕获不同配置状态的特征。结构和带隙的QSPR由训练有素的CNN构建，其预测精度高于90%。

图5. 机械性能

石墨烯及其复合材料的机械响应对其应用至关重要。石墨烯及其复合材料技术应用中的另一个基本挑战是断裂机理，其中裂纹增长行为对纳米级的材料设计很有价值。A. Tabarraei等人提出了一个包含CNN和双向递归神经网络（Bi-RNN）的ML模型，以预测多晶石墨烯片中的断裂演变。

图6. 热性能

石墨烯的导热系数在室温下可达5000 W m−1 K−1，电子迁移率高达2.5×105 cm2 V−1⋅s，使石墨烯及其复合材料在电子器件中的热界面材料前景广阔。Xu等人开发了物理告知像素值（PIPV）矩阵（指纹）来捕获堆叠石墨烯片（I）的几何特征。经过训练的DNN准确地预测了堆叠石墨烯片（V，IV）的导热性。构建了一个全面的数据库，用于存储堆叠石墨烯片的几何特征及其相应的导热性（VI），提供加速搜索工具来指导堆叠石墨烯片的设计。

图7. 原子结构

由于缺陷位置与热振动特征相关联，G. X. Gu等人通过MD仿真计算的数以万计的热振动地形图来训练kRR模型，发现了缺陷位置与热振动特征之间的隐藏相关性。基于不同的基本单位（原子指数、域离散化）开发了两种类似的预测策略。基于原子的方法用于检测单个原子空位，而基于域的方法可以检测未知数量的多个空位，最高可达原子精度。

图8. 化学品识别

在关于客观评估护肤品热属性（凉爽度和湿润度）的案例研究中，基于石墨烯复合材料的传感器可以监测由所应用的护肤品（i）引起的时间电阻变化。通过回归分析处理电阻中时间变化的数据，以生成变量（输入）和相应的分数（输出），用作ML（ii，iii）的训练数据集。然后使用经过训练的极端梯度提升（XGBoost）模型来评估有关护肤品（iv）的凉爽度和湿度的分数。

从电子鼻的概念中学习，L. Lin等人报告了一种使用单个石墨烯FET（GFET）和ML模型实现气体识别的新型气体传感方案。记录GFET的气体检测电导率曲线并将其解耦为四种独特的物理性质（图9b），即作为4D输出向量投影到特征空间上。检测到的气体和相应的4D输出向量使用MLP分类器进行关联，然后可用于高精度地对水，甲醇和乙醇蒸气进行分类。

图9. 运动识别

基于石墨烯的传感器与ML系统相结合，已被广泛用作运动识别应用的可穿戴HMI系统。如图9所示，S.O. Kim等人将大面积压力传感器阵列与ML算法相结合，构建了基于智能座垫的姿态监测系统。石墨烯-MXene混合器件被用作压阻式压力传感器的传感材料，具有低滞后和宽感应范围。大面积压力传感器阵列集成在座垫中，用于医疗保健监控。针对不同的坐姿，在每个像素上实时监控阻力的变化。RF和ANN模型使用收集的数据进行训练，以高精度区分6种坐姿。使用测量的肌电图数据训练的ML算法（CNN，kNN）成功检测7类手指运动，准确率为≈99%。

总结与展望

已经提出了两种策略，包括ML（软件）和NC（AS和人工神经元）（硬件），用以模仿生物大脑的功能，能有效地执行非结构化数据的实时处理。由于受制备和试验条件影响的石墨烯的实际电子、机械和热性能远低于其理论性能，因此将ML与实验结果相结合进行实际性能预测在未来研究中具有重要意义。然而，预测范围和准确性是有限的，只考虑了少数精度有限的场景。此外，通过石墨烯光电探测器阵列实现的3D成像也很有吸引力，应该进行更多的研究。

突触石墨烯晶体管可以执行并发学习，在不中断信号传输过程的情况下更新突触重量。然而，这些晶体管仍存在许多缺点：1）开/关比低;2）保留时间短，表示内存有限;3）器件尺寸大，不适用于需要十多个晶体管来模拟一个突触的大面积集成;4）能耗高，远高于生物突触。

总之，采用石墨烯的AI在“软件”（深度学习模型）和“硬件”（神经形态器件，如人工突触和人工神经元）方面都取得了相当大的进步，但要在未来实现真正的AI，还有很多工作要做。

文献链接

Recent Advances of Graphene and Related Materials in Artificial Intelligence

Meirong Huang, Zechen Li, Hongwei Zhu*

Advanced Intelligent Systems

DOI: 10.1002/aisy.202200077

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202200077

研究背景

自1990年代商业化以来，锂离子电池(LIB)已成为我们生活中不可或缺的一部分。2010年LIB在电动汽车中的应用推动了LIB的巨大发展，但同时也增加了废旧锂离子电池的量。图1显示了到2030年废旧锂离子电池的数量预测。

图 1、预测到2030年波兰的废LIB质量柱状图；所需的收集率在图表上显示为红色曲线。

预测表明，仅在2021年的波兰，废锂离子电池的质量就可能超过1600吨，而到2030年，将有大约1000吨。由于其包含各种化学物质，废锂离子电池通常被归类为危险废物，需要适当的处理。否则，重金属和LIB的其他成分会对健康产生巨大影响。目前从废旧锂离子电池正极中回收贵金属十分常见，而对碳芯的回收利用却鲜有报道。

成果简介

近日，波兰华沙大学Magdalena Osial和Agnieszka Dąbrowska教授在Phys Status Solidi B Basic Solid State Physics上发表了题为“Battery Powder as a Source of Novel Graphene Nanocarbons”的论文。该工作重点研究了废LIBs粉末的性质，该废LIBs粉末在通过有机浸出工艺处理后，是具有独特结构的纳米碳的来源。拉曼光谱用于石墨碳的表征。通过对扫描电子显微镜图像进行数值定量分析，获得了有关材料结构的其他参数，并通过X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDS）进一步检查了其成分。

研究亮点

（1）这项工作使用浸出后的废锂离子电池粉末合成石墨烯纳米碳；

（2）此外，采用酸浸法处理电池废弃物，具有经济、环保、产品纯度高、选择性高、回收率高、能耗低等优点；

图文导读

电池首先进行破碎以将金属与塑料分离。然后，将负极和正极分开。最后，电极用酸和还原剂处理。甲酸作为漂白剂，戊二酸和过氧化氢被用作还原剂。

废电池组件机械分离后的第一步是矿化过程。包含正极和负极的0.5 g废电池粉末用10.0 mL的65% HNO₃处理约5 h，温度约120 °C。然后，将所得溶液蒸发至约0.5 mL，定量转移至塑料容器中，并补充去离子水至50 g。最后，使用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定溶液中的金属浓度。

表1、样品1-3的浸出剂

其次，将所得粉末用以下试剂处理：样品1用5.0 m甲酸CH₂O₂处理，样品2用5.0 m甲酸和过氧化氢H₂O₂处理，样品3用甲酸和过氧化氢处理，同时加入5 g戊二酸C₅H₈O₄粉末。有机酸和H₂O₂用作酸性介质中金属回收的还原剂。

将废电池粉末加热到约90 °C保持约2 h，其中残留物以约500 rpm的速率持续搅拌。处理后，用去离子水清洗废电池粉末以去除浸出剂，并在通风橱50°C下干燥。图2为样品3的电池粉末浸出过程示意图。

图 2、样品3残渣的浸出过程示意图。

使用ICP-OES研究从浸出过程中获得的溶液，以获得特定元素的量。图3显示了在浸出后溶液中发现的七种金属的回收率。

图 3、酸性还原浸出后溶液中的金属回收率。

金属的回收率根据公式(1)计算

式中，Me_in为浸出前电池粉末中测试金属离子的浓度[mg kg⁻¹]；Me_ls是浸出后溶液中测试金属离子的浓度[mg kg⁻¹]。电池粉末浸出的结果以测试金属的百分比回收率表示。

对于样品1，Cu、Fe和Zn的回收率最高，而Co和Cr回收率较低（图3）。尽管没有从电池废料中将金属完全回收，但甲酸的应用取得了优异的效果。接下来，在相同的甲酸含量下浸出样品2，同时另外使用过氧化氢作为还原剂。然而，金属的回收率远低于样品1。铜和铁的回收率下降了50%。但添加了戊二酸后，反而进一步提高了回收效率。使用这两种还原剂可以回收最高含量的Co、Cr、Cu、Fe、Li、Mo甚至Zn。根据这些结果，可以看出，未浸出的电池粉末主要成分主要包含钴、锂和镍。

对浸出后的粉末进行了拉曼光谱分析。所有样品都显示出石墨碳的信号，其中D峰/G峰的强度比代表缺陷程度。G/D比增加表明该碳材料具有更好的结构有序性、更少的缺陷。图4显示，平均而言，缺陷按以下顺序增加：S3<S1<S2。样品S2呈现出许多类似石墨烯的薄片，但同时也呈现出金属氧化物成分和缺陷。最均匀的是样品3。样品1具有局部结构良好的晶粒。

图 4、样品的拉曼光谱：a)1、b)2和c)3。

用SEM研究浸出后产物的形态。所有样品都显示出类似石墨烯的结构。LIB中构成电极的材料主要由填充有电解质的石墨碳制成。如图5所示，样品的形貌类似于具有不同形状和大小的颗粒，而每个样品均由片状结构组成。每个浸出后样品在宏观尺度上的形态相似，而在微观尺度上它们差别很大。这是由于有的石墨片状粉末形成球状结构。

图 5、低和高放大倍数下，a,d)样品1、b,e)样品2和c,f)样品3的SEM图像。

对SEM图像进行数值分析以获得定量的表征。图6显示，在样品1-3中，材料中碎片的平均晶粒尺寸分别为≈60、≈90和≈40nm。

图 6、a,b)样品2的直方图显示比c,d)样品3更均匀的结构。

此外，样品中特定元素的分布如图7所示，其中a-c列分别对应于样品1-3。样品中存在的氧主要与钴相关，这表明样品中的氧化钴可能是LiCoO₂浸出后的产物。

图 7、a)样品1、b)样品2和c)样品3的EDS图

图 8、样品1-3的a)XRD图案和b)TGA曲线

图8a的XRD图像显示，样品1-3中存在氧化钴。粉末图案与LiCoO₂和Co₃O₄相匹配。样品3中19°处的峰可归因于LiCoO₂(003)面，而37°和45°处的峰可归因于(101)和(104)面。此外，这些峰也可能对应Co₃O₄的(111)、(311)和(400)面。27°处的最强特征峰可归因于碳的(002)面。50°和55°处的峰与石墨碳的(102)和(104)面有关。样品中77°和84.2°处的峰对应碳的(110)和(112)面，表明浸出产物主要包含碳，即石墨和一些微量的氧化钴。图8b的热重分析（TGA）显示，样品3的质量损失最高，对应于碳的氧化。样品1和2的质量损失较低可能与样品中较高的金属氧化物含量相关。

总结与展望

尽管所有测试材料都可以获得纳米碳，但它们在形态和结构有序度方面表现出差异。拉曼光谱显示所有样品都含有不同的类石墨烯和石墨形式的纳米碳。在样品2中，出现了大量其他的化合物。EDS和XRD分析也证实了一些氧化钴或钴酸锂的存在，而样品中更有可能形成Co₃O₄。样品3的XRD数据表明LiCoO₂是主要的Co相。基于峰的强度，Co₃O₄在样品1、2中占主导地位。所有结果都证实形成了高度结构化的碳（S3>S1>S2），并且粉末中薄片的表面有利于它们作为吸附剂。总之，这项研究表明废电池有望成为类石墨烯催化纳米材料的来源。

文献链接

Battery Powder as a Source of Novel Graphene Nanocarbons.(Phys Status Solidi B Basic Solid State Physics,2022, DOI:10.1002/pssb.202100588)

原文链接：https://doi.org/10.1002/pssb.202100588

石墨烯医疗引领下一代医疗革命

“19世纪是铁器的时代，20世纪是硅的时代，21世纪是碳的时代。”

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）从高定向热解石墨中剥离出石墨片，通过将薄片的两面年在胶带上，不断地撕开胶带，最终得到了仅由一层碳原子构成的薄片，打开了石墨烯的大门。

而现在，我们正在进入石墨烯时代。石墨烯（Graphene）是一种以sp² 杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，具有优异的光学、电学、力学特性，不仅在电子产品、电池、导热散热、航空航天等领域具有广阔的应用前景，在医疗科技领域也将引领新的革命。

医疗科技正面临着转型期，机遇与挑战接踵而来。而石墨烯与医疗的结合正成为一种快速崛起的新材料医疗科技，快速打开新的医疗市场，为我国抢占医疗科技新赛道赋能。石墨烯具有大的比表面积、优良的化学稳定性及生物相容性，在药物传送、生物传感、癌症治疗、临床医疗等方面发挥重要作用，被视为引发下一代医疗革命的关键技术。

石墨烯医疗在学术前沿研究遍地开花

2020年，石墨烯无创治疗肿瘤研究被美国前沿医疗学术期刊《AdvancedTherapeutics》以封面论文形式发表；2022年，石墨烯热疗+药物化疗协同治疗肿瘤研究再次取得突破，被国际医疗期刊《Macromolecular Bioscience》（大分子生物科学）收录。

近日，捷克奥洛穆茨大学的科研团队宣布利用石墨烯研制出了世界上最小的金属磁铁，可以应用于核磁共振成像、水处理、生物化学和电子等多个领域。

南京医科大学肿瘤实验室发现“石墨烯器件发射的远红外波具有明显的诱导肿瘤细胞凋亡的能力，可显著抑制三阴性乳腺癌细胞在裸鼠体内的恶性增殖及转移”，该项技术被美国生物医学顶级期刊《先进医疗》作为封面论文发表，推动肿瘤治疗迈向无创、低副作用、低成本，这将极大地满足患者的需求，具有巨大的市场前景。

清华大学集成电路学院任天令教授团队将石墨烯带进元宇宙，研发出一款可集成眼动交互和触觉感知的协同界面，实现了快速准确的3D 人机交互。该技术通过采集眼电图作为人机交互界面，通过眼球的运动实现无接触式、快速和便捷的沉浸式人机交互，为存在运动障碍或肌肉障碍的人群带来福音，使其通过转动眼球即可控制轮椅的前后左右移动。

英国剑桥大学材料科学系独立出来的一家石墨烯电子设备供应商Paragraf正研发石墨烯生物传感器——GBS系列，有望实现几分钟内完成几种不同常见疾病的检测，加快一线医院的检测速率，为患者提供精确及时的诊疗方案，作用于临床医学、兽医等领域。

今年1月份，英国剑桥大学研究人员通过将石墨烯电极植入小鼠脑部直接与神经元连接，从而发现了利用石墨烯材料制造的电极能安全地与脑部神经元连接，且这些神经元可正常将脑电波信号传递给外界，使得外界了解脑部活动并修复感知功能。这项技术可用于修复截肢、瘫痪，甚至帕金森氏症患者的感知功能，协助他们更好地康复。

石墨烯医疗应用前景可望

《“健康中国2030”规划纲要》提出要探索推进可穿戴设备和健康医疗移动应用服务等发展，而石墨烯医疗器械的出现将在基层医疗中发挥独特优势，接老百姓多层次、多元化的医疗服务需求，使得医疗科技领域成功转型。目前，利用石墨烯作为传感器进行体外疾病的检测已得到临床实现论证。

上海交通大学转化医学研究院副院长崔大祥在《第一财经日报》专访中提出，他所在的团队已开发出通过呼气来检测胃癌的传感器，将进一步研究肺癌和其他肿瘤的检测。而在药物递送载体、肿瘤治疗、抗菌杀菌、人工植入设备等体内治疗方面，也具有巨大的深挖与探索空间。

在市场巨大的需求牵引下，继续探索石墨烯医疗新战略，才能在医疗科技新赛道乘风而起，率先起航！

储能技术是能源系统的“总控”

双碳战略背景下，减碳减排成为经济可持续发展以及维护全球生态系统的良策。由于传统能源的总量不足，各国大力发展风力发电、太阳能光伏发电为代表的新能源，但这类新能源因其自身局限具有不稳定性的问题，无法保障大规模接入电网及供电的持续性。为了解决这一困境，储能技术应运而生，极大提升可再生能源利用率，成为智能电网及能源互联网的中枢和“总控室”

储能系统包括热能、动能、电能、电磁能、化学能等能量的存储，其研究、开发与应用主要是以储存热能、电能为主，广泛应用于太阳能及风能的利用，通过把一段时期内暂时不用的多余能量通过某种方式收集并储存起来，在使用高峰时或者运往能量紧缺的地方时再进行输出使用，利用这种能量存储的方法实现电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收，广泛应用于工业与民用建筑和空调的节能等领域。储能系统由电池、电器元件、机械支撑、热管理、能源管理系统等等组成，电池寿命在当中发挥至关重要的作用，而决定电池使用寿命的关键在于储能材料。为了创新储能材料，提升锂电池和超级电容器的能量密度、循环性、安全性等性能，需要在正极材料上进行技术变革以及进一步对负极材料开展研究。石墨烯因其优异的力学性质和物理性能，被视为理想的储能材料，是提供锂电池容量以及超级电容器能力密度的创新技术路线。

石墨烯作为理想储能材料的创新应用

石墨烯的出现正释放出在能源领域应用的无限可能，迈向更绿色、高效、可持续发展的未来。石墨烯因其较大的比表面积、良好的导电性和导热性，一跃成为新型材料的榜首，在能源领域也是锂电池和超级电容器的热门材料，并实现了产业化应用。石墨烯在锂电池中的应用包括三个方面，一是石墨烯复合电极材料，二是导电添加剂，三是石墨烯功能涂层。石墨烯基锂离子电池即可应用于分布式基站，也可应用于无人机和燃料电池车，破解高温极端环境下的续航及安全难题。石墨烯超级电容器是一种特殊的电容器，在能量储存和释放过程中拥有比同类产品更高的优秀导电性和比表面积，即能够为智能设备、柔性电子屏、可折叠手机等智能可穿戴设备，也能应用于电动车等交通运输领域。

石墨烯目前已应用于多个行业，其中最显著的是医疗保健和关键材料领域。据研究报告显示，在未来5年内，太阳能的发展将逐渐走向成熟，全球可再生电力供应量可能增长50%。希腊建立起世界上第一个应用石墨烯的太阳能农场，探索石墨烯太阳能电池的生产，推动欧盟减少对化石燃料的依赖。同时，更有不少研究者加快研发大规模生产硅基石墨烯锂离子电池的技术，优化石墨烯在电池中的应用，增加在电动汽车、移动电话、笔记本电脑等电子产品中的电池寿命和充电时间，改善消费者使用体验。随着技术的不断发展，石墨烯在储能领域将解锁更多应用场景。

石墨烯未来发展走向低成本与规模化

随着石墨烯产业的飞快发展，众多企业纷纷投身于开发石墨资源的热潮，国家也出台了大量政策作为支撑，石墨烯加工技术不断突破，石墨烯被认为是会对未来产生“颠覆性”影响的新材料之王。但石墨烯材料受限于原材料和制备工艺，成本较高，导致市场价格较高。目前，气相合成法、氧化还原法和液相分离法等被视为石墨烯规模化制备的重要方法，但仍存在制备效率及产率低的问题。同时，在实际应用中，天然石墨的结构特性不及人造石墨，不利于锂离子电池的电极制造。

面对石墨烯日渐增高的市场需求，未来发展低成本，规模化、连续性的石墨烯制备技术，增加对人造石墨的研发是可行之策。随着双碳战略的落地实行以及可持续发展理念的普及，石墨烯和其他相关二维材料正是工程师们找到的传统材料的可再生替代品，是开发新一代能源设备和产品的必需品，未来石墨烯在储能领域的发展将呈现势不可挡的趋势。

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前不久，关于石墨烯电池的重磅消息一连串的被抛出来，彻底震醒了依然沉浸在抱残守旧、墨守陈规的人群。备受关注和争宠的新能源汽车行业、锂电池制造业等把企业最大倍的焦虑放到了石墨烯电池的新进程和新突破上，众盼已久的石墨烯电池是否能够带领各个行业开辟出新的天地，带动整个行业进行新的改革，答案已经越来越清晰明朗，随着专业团队的努力和钻研，石墨烯电池的神秘面纱已经半遮不掩展现在我们面前。

众所周知，石墨烯是世界上最薄、最坚硬的纳米材料，由于其特殊的性能和材质，其应用于导电材料、导热材料上的性能可以说是得天独厚、无所能及。正如马斯克所预言：内置石墨烯聚合材料的电动汽车未来的续航里程可以达到800公里，该水平已经与传统汽油发动机的车辆持平。而这个预言，在石墨烯电池技术的突破、产业结构和

产业供给的变化上得以更充分的体现和兑现。

在石墨烯锂电池上，相比于传统锂电池容易老化、损耗高、利用率低、回收率低的各种短板，石墨烯锂电池犹如一张密不透风的网，把传统锂电池身上显现出来的各种漏洞和弊端一一填补，最快充电速度为15秒钟，其不易老化、环保、节能、高效等各种卓越的、优异的性能一览无遗，为我们呈现出一个全新的电池认知视界。而在众多闪耀着科学光芒的看点当中，其超高的重复充能率、超长的使用寿命已经突破了人们的想象幅度，据最新的科学研究显示，石墨烯锂电池的充电次数高达四点五万次，这个数值相对传统的锂电池而言，已经不止是数量级的差距，而更多的体现在其本质上的差距。以一天充能一次的保守数据来算，石墨烯锂电池在理想状态下能够连续充能使用123年！这组令人咋舌的数据已经足够折服曾经对石墨烯锂电池抱有怀疑态度的人。

而在制造业这边，富士康集团在石墨烯锂电池产业上又有了新的企业部署和战略规划，富士康与Appear Inc.宣布在共同推进石墨烯电池的科研攻关和未来发展上合作，毫无疑问，这是加速把石墨烯电池搬上新能源电车、搬进寻常百姓家。一个靠制造业而享誉全球的资本巨头与一个技术炉火纯青的科技公司共同的合作，对外界传递的信号不言而喻：石墨烯电池正向我们一步步走来，越走越近。

石墨烯在锂电电极材料展现的优势是电池领域和新能源汽车领域具有时代性、代表性的问题。特别是在当下提倡环保节能、绿色低碳的经济发展理念和生活理念的形势下，石墨烯电池已经以势不可挡的姿态占据人们的视野、夺取人们的焦点，并随着进一步的科研攻关而迅速登上科技领域的舞台中央！