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！

正如诺奖获得者安德烈·盖姆所说：“石墨烯正从学术界走向工业界”。石墨烯已经迎来了科技创新与技术改革的第一道曙光，也正向我们的未来和发展照耀出更耀眼的光芒。

由于石墨烯本身具有的独特结构和出色性能，被称为“新材料之王”的石墨烯材料一跃成为新型材料中的榜首，是目前已知导热率最高的材料。在这种优越的性能光环加持下，石墨烯已经开始向各高精尖技术和领域飞奔而去，深刻融入到人们的科研手段与探索技术当中，可为何说石墨烯正从学术界走向工业界？

首先，这是市场环境和经济条件决定的首要因素——价格。在最各顶尖技术团队数年如一日的探索下，石墨烯的价格随着技术的发展和科研攻关的突破，已成功将石墨烯价格降至每公斤五百元。并且，这一价格趋势在未来三年内还有望继续降低。无疑，这是给石墨烯生产链上下游及附属产业一道掷地有声的响雷，它不仅改变这数个领域、数个行业的命运，更深深拨动这些市场主导者的心弦，使人们重新认识到：石墨烯时代的到来已经锐不可当！

在这些领域及企业当中，关注度最高的当属锂电池行业及新能源汽车制造业。毋庸置疑，相比传统的电池，锂电池给人们刷新了太多太多的认知，这些认知不仅是倍率性能的改变，不仅是循环寿命的改变，更在于它那随着深入研发而发掘出无限的市场潜能和材料性能。在电子产品、科技产品飞入寻常百姓家的今天，手机、便携式电脑、便携式音响之所以能够卖出大门、迈向户外，无一不是因为拥有以石墨烯等锂电池先进续航能力、储电能力等先进技术、热门技术为支撑的。如果说石墨烯技术在电池上的广泛应用是打开石墨烯市场大门的钥匙，那么石墨烯电池在新能源汽车上的深入融合，也是彻底敞开石墨烯市场的两扇光明大门。

在人们绿色、生态出行理念及碳达峰、碳中和双碳政策的影响下，人们出行的交通工具不再仅仅依赖于传统的汽油车，转而，新能源汽车在人们的视野的距离被拉得越来越近。据Canalys的最新研究表明，2020年中国市场电动车（EV）销量再创新高，共计130万辆，占全球新能源车销量的41%，同比增长了8%。2020年全球新能源车销售增量高达39%。这个数据，给我们最强烈最直接的信号，是新能源汽车在得以覆盖性运用和推广后，作为新能源汽车的核心动力来源，石墨烯电池在新能源市场上的应用成了每个生产商、每个新用户的关注焦点，也是人们奉行环保健康、绿色出行理念的重心所在。

石墨烯的应用和推广，无论是在科技领域，还是刚需用品，都成了未来发展的大势所趋。随着石墨烯神秘面纱的揭开，这种趋势将越来越明显，这种影响也越来越深远！

步入二十一世纪的今天，就是高科技的今天，就是新技术的今天。然而，什么是高科技？什么是新技术，这无疑给人冒出一个大写的问号。毫无疑问，高科技、新技术都是建立在以新材料的应用基础上的，尤以石墨烯的使用更加广泛、更加深入，上可至航天科技的应用，下可达日常工作器材的支撑，可以说是新时代信息技术和科技命脉的“热”门支柱。那么石墨烯材料作为新材料的新宠，作为新领域的王者，它究竟与其他材料有何不同之处？与传统的石墨材料相比，石墨烯材料又有何过人之处？

石墨烯材料，顾名思义，就是通过石墨烯或者以石墨烯成分制作或者研发而成的新型材料，这个有“新材料之王”称号的石墨烯，由于其优异的性能，广泛的可用性，造就了相关产业广阔的市场前景，其应用范围覆盖芯片、散热材料、新能源以及柔性显示、复合材料等多个领域，同时也是对传统电池电容材料更朝换代的热门选手。

而石墨与石墨烯究竟又有何不同？首先，其制作工艺和生产流程便大相径庭。石墨烯并不是直接生产或者制作而成的，而是要通过各种严苛的工艺、复杂的程序、特定的条件下制作出氧化石墨烯，进而再转换成石墨烯。难度在于，必须在强酸以及强氧化剂的标准条件下，把石墨通过氧化反应生成氧化石墨，在经过一系列反应后，石墨的表层便附上一层带有含氧的官能团，正是在含氧官能团的作用下使得石墨片层间的范德华力出现骤减，继而撑开石墨片层，增加了层间距；然后，将氧化石墨分散于水或有机溶剂中，再通过超声处理就可以将氧化石墨剥离成单层或少数几层的氧化石墨烯。从上述石墨烯的制造生产的流程中就可以看出，石墨烯是当今一种性能优异的新型材料，由于其本身具有很好的热学性能，这也赋予了石墨烯材料导热散热的特殊性能，这也让石墨烯材料一跃成为新型材料中的榜首，也是目前已知导热率最高的材料。

在目前的科技领域和应用范围当中，高导热散热材料仍然以石墨薄膜来进行完成，在传统的角度上就赋予了石墨类导热散热材料的作用和使命。但是石墨烯材料作为石墨材料的加强版和升级版，石墨烯材料拥有的超高性能和超强应用已毋庸置疑。然而，在从产业化生产和应用的角度分析，石墨烯薄膜如要拿下传统石墨薄膜的主导地位，重新占据导热散热材料市场的主体地位，除了拥有极高的导热散热性能外，在量化制造、规模生产上再深入推进，使石墨烯薄膜在生产成本上拥有更大的优势。在性能和价格这两个市场光环的加持下，相信不久的将来，石墨烯薄膜将成为散热应用市场上主导散热材料的闪耀新星！

石墨烯、碳纳米管等石墨纳米材料具有独特的理化性质，即大的比表面积、优异的荧光猝灭性能、易于功能化、良好的生物相容性以及大的拉曼散射界面，这些优势引起了不少学者对其在生物医学领域的研究。

其中，在生物医学领域备受关注的是金属石墨纳米囊，这是一种将金属纳米核限域在少层石墨烯壳层内部的新型石墨烯纳米材料，具有优异的稳定性和良好的生物相容性。金属石墨烯纳米囊兼具石墨纳米材料和金属纳米材料的双重优点，利用其外壳，并通过可控设计和制备多种不同种类，可为不同生物医学应用提供良好的纳米平台；同时，利用其外壳独特的拉曼散射特征峰做内标，能避免来自环境和生物分子的干扰及直接接触。

正是由于新型金属石墨纳米囊材料兼具石墨烯和金属纳米颗粒的双重性质，在生物医学应用领域具有极大的潜力。比如在生物检测应用方面，研究证明它能提供一个抗干扰性强且灵敏度高的分析平台，对临床药物检测中有巨大的应用前景；在生物成像应用方面，因其比传统的有机拉曼标签具有更大的拉曼散射界面和更优越的稳定性，可以有效避免环境干扰，实现生物体系拉曼成像以及细胞靶向成像，促进具有受体靶向的纳米载体开发，实现有效的药物输送和癌症治疗。

在治疗应用方面，金属石墨纳米囊作为光热试剂和药物载体在癌症、化疗或其联合治疗及杀菌方面发挥极大作用，作为光热材料可杀死癌细胞，提高治疗效率，减少化疗药物的副作用，为临床癌症治疗指明新方向。研究证明，其实现了实体瘤的高效光热消融，作为药物递送平台实现了抗炎症前药的有效递送，消除了治疗过程引发的验证反应，并且还在抗菌治疗中有广阔应用前景。金属石墨纳米囊作为药物递送平台，具有独特磁学性能，还对胃部疾病的治疗具有新的功能应用，即为口服药物的递送和胃部疾病的位点选择性治疗提供了新的思路。

目前，金属石墨纳米囊种类比较有限，主要应用于体外生物分子检测、细胞成像以及癌细胞和病原菌的杀灭，活体层面的原位疾病诊断、药物递送和治疗等领域。因此，未来我们应该把精力主要集中在开发更多新型种类，提高其生物相容性，并深入探究其对生物体造成的影响，以推动金属石墨纳米囊的生物医学应用不断向前发展。