Có thể một ngày nào đó, bạn sẽ gấp chiếc máy tính bảng màn hình cảm ứng thành hai chồng trong túi; sạc đầy điện thoại của bạn trong vài giây và sử dụng trong nửa tháng mà không cần sạc lại; đi một chiếc máy bay siêu nhẹ, lái một chiếc ô tô nhẹ, hoặc thậm chí lên một con người Thang máy không gian dài 10.000 dặm của những giấc mơ...
Tất cả những giấc mơ tuyệt vời này đều đến từ một loại vật liệu đặc biệt - graphene.
"Graphene là một loại vật liệu nano với nguyên liệu thô là than chì. Nó là vật liệu dẻo nhẹ nhất, mỏng nhất và cứng nhất trong số các vật liệu được biết đến trên thế giới cho đến nay. Nó có tính dẫn điện cao, độ bền cao, dẫn nhiệt cao, diện tích bề mặt riêng cao, v.v. Vật liệu mới phi thường này chắc chắn sẽ mang lại những thay đổi mang tính cách mạng trong nhiều lĩnh vực như xe điện và thông tin điện tử, đồng thời được kỳ vọng sẽ trở thành ngành công nghiệp cấp nghìn tỷ tiếp theo.
Phá vỡ nút cổ chai sạc pin lithium và tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực xe điện
Chỉ mất 5 giờ sạc và có thể đi được quãng đường 500 km. Vào đầu năm nay, sự ra mắt của Tesla có thể được ví như "đốt lửa giữa mùa đông", tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực xe điện.
Mặc dù công nghệ pin đã có một bước tiến dài nhưng vẫn còn đó sự ngại ngùng khi chạy một lúc cần dừng lại và sạc trong 5 giờ. Thời gian sạc lâu vẫn là một khoảng cách không thể vượt qua đối với pin lithium. Xe điện vốn được coi là hướng phát triển của ô tô trong tương lai nhưng đã dậm chân tại chỗ trên con đường thăng tiến trong nhiều năm do không giải quyết được bài toán thắt cổ chai này.
"Cánh cửa này sẽ được mở bằng graphene." Nhiều chuyên gia trong ngành rất lạc quan về ứng dụng của graphene trong lĩnh vực năng lượng và nhóm nghiên cứu khoa học đang phát triển các siêu tụ điện và pin dựa trên graphene. Khi pin graphene ra mắt, người ta hy vọng sẽ tăng dung lượng pin lên 1,5 lần và rút ngắn thời gian sạc xuống còn hàng chục phút. Sử dụng siêu tụ điện dựa trên graphene để thay thế pin, thời gian sạc và xả có thể chỉ trong vài giây.
"Điều này cũng có nghĩa là trong tương lai, việc sạc pin cho xe điện sẽ tốn ít thời gian hơn so với việc đổ xăng, điều này sẽ mang lại một cuộc cách mạng đột phá cho lĩnh vực xe điện." Họ hiện đang xây dựng dây chuyền sản xuất pin tụ điện dựa trên graphene, dự kiến sẽ ra mắt vào cuối tháng 12 năm nay. Chính thức đi vào hoạt động.
Tại cơ sở sản xuất Đường Sơn, phóng viên đã trải nghiệm "sự kỳ diệu" của graphene - mặc dù nó có cùng nguồn gốc với than chì, nhưng nó khác xa so với đầu bút chì mà chúng ta thường thấy. Các vi mạch graphene giống như các cục bông màu đen giống bông hơn. Nó mỏng như cánh ve sầu và nhẹ như lông vũ, chỉ 180 gam là có thể đổ đầy xô nhựa trắng có dung tích 50 lít.
Meng Ying giải thích rằng lý do tại sao pin graphene có tốc độ sạc và xả nhanh và khả năng lưu trữ năng lượng lớn là để tận dụng diện tích bề mặt riêng cao và độ dẫn điện cao của vật liệu graphene. Độ dẫn điện của vật liệu graphene gấp 10 đến 100 lần so với đồng. Nếu pin lithium truyền thống được sạc và xả nhanh, chắc chắn sẽ dẫn đến sự gia tăng dòng điện và dòng điện quá mức sẽ khiến pin nóng lên, rút ngắn tuổi thọ và thậm chí gây cháy nổ. Việc sử dụng các đặc tính của graphene để thêm nó vào vật liệu cực dương và cực âm của pin lithium được kỳ vọng sẽ giải quyết được nhược điểm này.
Meng Ying giải thích rằng quá trình hoạt động của pin lithium là quá trình các ion lithium chuyển động qua lại từ điện cực dương sang điện cực âm. Việc thêm graphene vào vật liệu điện cực dương có thể cải thiện độ dẫn điện của vật liệu điện cực dương, tăng tốc độ xả của pin và tăng tốc độ sạc và xả của pin. Việc thêm graphene vào vật liệu cực dương có thể cải thiện khả năng chứa các ion lithium và tăng dung lượng lưu trữ.
"Gene gây chấn động vì nó đã tạo ra nhiều kỷ lục. Hàng loạt đặc tính bí ẩn của graphene khiến người ta tràn đầy ảo tưởng về ứng dụng của nó." Meng Ying mô tả rằng graphene cũng là vật liệu mỏng nhất và bền nhất trên thế giới. Chỉ dày 0,34 nanomet, độ dày của 200.000 lớp graphene chồng lên nhau gần bằng đường kính của một sợi tóc người. Nó cứng hơn kim cương và cứng hơn 100 lần so với thép tốt nhất trên thế giới. Vật liệu này gần như hoàn toàn trong suốt, với độ truyền ánh sáng trên 97% và dự kiến sẽ được sử dụng để sản xuất một thế hệ thiết bị điện tử hiệu suất cao mới.
Graphene có tiềm năng ứng dụng cực kỳ rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử, hàng không vũ trụ, đặc biệt, năng lượng mới, vật liệu mới, v.v. Với các đặc tính điện tuyệt vời của mình, graphene sẽ là vật liệu mới tiềm năng nhất thay thế silicon để chế tạo các bóng bán dẫn siêu nhỏ. Tốc độ vận hành dự kiến tăng từ 10 đến 100 lần; đặc điểm nhẹ và cứng của nó là lựa chọn hàng đầu để chế tạo áo giáp siêu nhẹ và vật liệu máy bay siêu nhẹ; sử dụng công nghệ nano, graphene cũng có thể được chế tạo thành cảm biến DNA để phát hiện Cấu trúc quay và vị trí của chuỗi DNA mở ra một hướng đi mới cho công nghệ giải trình tự bộ gen; graphene cũng có thể được chế tạo thành vật liệu kháng khuẩn, có thể khử trùng tế bào mà không làm hỏng tế bào.
Bước đột phá 1 gram đến 500 tấn
Mảnh than chì bóc tách vi mảnh graphene, đánh bại những trở ngại của công nghiệp hóa
Vì vậy, làm thế nào than chì có thể trở thành graphene? "Do lực yếu giữa các tấm than chì, hầu hết các graphene phổ biến của chúng ta đều bị tách ra khỏi các tấm than chì." Meng Ying cho rằng phương pháp dán graphene bằng băng dính rõ ràng là không phù hợp với sản xuất công nghiệp. Hiện tại, chủ yếu có các công nghệ lắng đọng hơi hóa học, oxi hóa khử, silic cacbua nhiệt phân và các công nghệ chuẩn bị hàng loạt graphene khác, nhưng chỉ một số công ty trên thế giới có thể thực hiện sản xuất công nghiệp.
Kể từ khi biết đến graphene vào năm 2009, Meng Ying đã cố gắng tìm hiểu tại sao công nghệ điều chế hiện tại không thể được sản xuất hàng loạt. Sau nhiều năm nghiên cứu, nhóm của ông đã phát triển một phương pháp ban đầu dựa trên phương pháp oxi hóa khử, thực hiện các thay đổi đối với công nghệ bào chế hiện có, đồng thời thiết kế các quy trình và thiết bị sản xuất có quyền sở hữu trí tuệ độc lập, biến việc sản xuất hàng loạt thành hiện thực.
Anh ta lấy một xấp giấy A4 và đưa ra một phép loại suy: "Khối than chì có cấu trúc nhiều lớp giống như xấp giấy này. Sau phương pháp xử lý trước đó, khoảng cách giữa giấy và tờ giấy có thể tăng lên, nhưng mỗi tờ giấy có một cấu trúc nhiều lớp. Nó cũng sẽ áp sát vào các lớp giấy trên và dưới, và rất khó để bóc ra từ một chồng giấy, theo cách này, một số tờ nằm cạnh nhau, và một số hàng chục tờ tiếp theo với nhau và xác suất hình thành các vi mạch có ít hơn 5 lớp là rất nhỏ."
Một khi nguyên nhân gốc rễ được tìm thấy, vấn đề được giải quyết. "Điều quan trọng là trải đều từng mảnh giấy từ chồng." Meng Ying cho biết, ví dụ, nếu nó được cắt bằng dao, thì quy trình mới giống như đặt "thuốc nổ" giữa mỗi tờ giấy", tất cả "thuốc nổ" sẽ hoạt động cùng một lúc, do đó một tập giấy sẽ được thổi đều thành các tấm rải rác.
"Nếu các mảnh giấy nổ quá gần nhau, chúng sẽ hợp nhất lại và mọi nỗ lực trước đó sẽ bị mất." Meng Ying nói rằng vấn đề này có thể được giải quyết thông qua các phương pháp hóa học và vật lý, để mỗi mảnh giấy nhỏ sẽ mất đi sự đoàn tụ. biểu diễn, trở thành những cá thể độc lập, không thể đoàn tụ dù có thân thiết đến mấy.
Về vấn đề này, Meng Ying có một cảm giác sâu sắc: "Nghe có vẻ như một lý do rất đơn giản. Để đạt được bước đột phá trong sản xuất từ 1 gam lên 500 tấn, chúng tôi đã cập nhật quy trình sản xuất tám thế hệ trong 5 năm. Để đạt được phân lớp tốt hơn Do đó, việc lựa chọn nguyên liệu và tạo hình thiết bị liên quan đến từng bước của lộ trình quy trình sẽ được thử nghiệm hàng trăm lần giống như Thần Nông nếm thử mọi loại thảo mộc."
Giảm 800 nhân dân tệ xuống còn 25 nhân dân tệ
Từ giá vàng đến giá bắp cải, chất lượng vàng vẫn được duy trì
“Những gì chúng ta phải làm là cố gắng giảm giá graphene từ giá vàng xuống giá bắp cải, nhưng vẫn duy trì chất lượng của vàng.” Meng Ying nói rằng chỉ bằng cách giảm chi phí sản xuất, graphene mới có thể được sử dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực khác nhau, nếu không Graphene sẽ không thể đạt được các ứng dụng công nghiệp. "Ví dụ, pin graphene thực sự tốt, nhưng nếu giá cao gấp hàng chục lần so với pin lithium, thì bất kể hiệu suất xuất sắc đến đâu, ai sẽ chọn mua chúng?"
"Sau khi hoàn thành dây chuyền sản xuất hàng năm 100 tấn vào cuối tháng 5, giá chip graphene của chúng tôi sẽ giảm xuống còn 25 nhân dân tệ mỗi gam, thấp hơn nhiều so với giá thị trường là 800 nhân dân tệ mỗi gam." Meng Ying tin rằng việc giảm chi phí đáng kể sẽ mang lại cho graphene lợi thế về chi phí để tham gia cạnh tranh trên thị trường.
Làm thế nào có thể giảm chi phí của graphene? "Giảm chi phí chủ yếu đạt được thông qua cải tiến công nghệ." Meng Ying cho biết nếu muốn đạt sản lượng hàng trăm tấn hàng năm thì chỉ cần một dây chuyền sản xuất là có thể đạt được, còn theo công nghệ ban đầu thì cần hàng chục nghìn thiết bị quang học. Cần đầu tư kinh phí hàng tỷ đồng, chưa kể chi phí khấu hao thiết bị, lương nhân sự. Ngoài ra, việc lựa chọn nguyên liệu thô cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm chi phí bằng cách thay thế những nguyên liệu thô hàng chục nghìn đô la bằng những nguyên liệu thô vài trăm đô la.
Lấy ví dụ về pin 18650 được sử dụng trong xe điện Tesla, ông cho biết với giá 25 nhân dân tệ cho mỗi gam graphene, mỗi pin cần khoảng 1,2 gam graphene và giá thành là 30 nhân dân tệ, không chênh lệch quá nhiều so với giá bình thường. Pin lithium. to lớn. Tuy nhiên, tuổi thọ của pin graphene là 10.000 lần, gấp 10 lần so với pin truyền thống. Chỉ 10 viên pin truyền thống mới có tuổi thọ bằng một viên pin graphene. Dựa trên điều này, giá của pin graphene thấp hơn.
"Chi phí 25 nhân dân tệ còn lâu mới đạt đến giới hạn chi phí. Với sự gia tăng chiều sâu của nghiên cứu và phát triển và cải thiện quy trình chuẩn bị, chi phí sẽ ngày càng thấp hơn. Mục tiêu của chúng tôi là vài nhân dân tệ mỗi gram hoặc thậm chí thấp hơn." Meng Ying tỉnh táo về điều này. Giá graphene càng thấp, nhu cầu càng lớn và nhu cầu tăng cũng sẽ thúc đẩy việc mở rộng quy mô của ngành, đó là một vòng tròn đạo đức.
"Trong khi giảm chi phí, chúng tôi cũng phải đảm bảo chất lượng của graphene, để vật liệu graphene sẽ có giá trị hơn." Meng Ying giải thích rằng diện tích bề mặt cụ thể là một tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng của các sản phẩm graphene. Lớn, tỷ lệ một lớp càng cao thì chất lượng càng tốt.
Sự không ổn định của chất lượng graphene cũng sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định hiệu suất của các sản phẩm chuỗi công nghiệp hạ nguồn. Meng Ying nói: "Ví dụ, diện tích bề mặt cụ thể của các lô graphene khác nhau là khá khác nhau. Nếu pin graphene được sản xuất, một số dung lượng gấp 1,1 lần so với pin lithium thông thường, một số gấp 1,3 lần và một số thậm chí còn nhiều hơn nữa Trong ứng dụng Nó sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của xe điện.”
"Diện tích bề mặt cụ thể của các sản phẩm sơ cấp graphene do công nghệ của chúng tôi sản xuất ổn định ở khoảng 550 mét vuông mỗi gam và kết quả thử nghiệm thí điểm cao nhất có thể đạt khoảng 1.000 mét vuông." Theo Meng Ying, bằng cách kiểm soát chất lượng nguyên liệu thô và quy trình sản xuất, số lượng lớp graphene do công ty sản xuất được giữ ổn định dưới 5 lớp.