近期，石墨烯材料成为习近平主席访问曼彻斯特大学的亮点。
那么世界上最薄、最硬的材料将如何改变世界，成为未来的黑金钥匙呢？下面就让我们通过详细的分解来看看吧。
石墨烯这种神奇的材料，由于其优越的性能，有望应用于计算机、通信、医疗、工业、能源等众多行业。
另据悉，采用石墨烯技术的汽车锂电池有望将能量密度提升至目前水平的三倍，重量减轻一半，续航里程延长至公里。
这就是为什么石墨烯受到各个行业尤其是汽车行业关注的焦点。
由于石墨烯材料，汽车动力锂电池的发展充满机遇和挑战。
那么石墨烯到底是什么？我们先来看看石墨烯的定义、历史和性质。
石墨烯的名字来源于石墨+烯。
它是一种平面多环芳香烃原子晶体，是由具有sp2杂化轨道的碳原子组成的六方蜂窝晶格平面薄膜。
看到这个定义你是不是一头雾水？只要记住一句话，石墨烯是一种排列在碳中的极薄薄膜。
有多薄？它只有一个原子厚，约为0.5纳米。
下图为石墨烯的结构图。
可见，石墨烯是由碳原子组成的原子大小的六方二维平面结构。
事实上，科学家在 20 世纪 90 年代中期就提出了石墨烯的存在。
但它始终是一种假设的结构，因为它无法在自然界中独立存在。
长期以来，科学研究都停留在由多层石墨烯组成的污泥状物质上。
虽然经过多方努力，只能分离出3至10层重叠的石墨烯，无法得到单层石墨烯。
科学界甚至开始怀疑单层石墨烯的存在。
直到2000年，曼彻斯特大学的两位学者安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）才成功分离出单个石墨烯平面。
他于2001年获得诺贝尔物理学奖。
两位学者分离单层石墨烯的方法更是神奇。
他们发现，通过在石墨烯片的两侧粘贴胶带，然后将其剥离，他们可以逐渐将石墨烯减薄至单层。
有时候，你和诺贝尔奖之间的距离可能只是一层胶带。
下图1所示为由上述多层石墨烯组成的污泥状材料。
下面第二张图是安德烈·海姆（左）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（右）获得2018年诺贝尔物理学奖的宣传图。
两位学者因其“二维石墨烯材料的开创性实验”而获奖。
下图3是Andre Heim在实验中使用的3M胶带。
胶带底部可以看到海姆的签名。
石墨烯的三大特性使其成为未来备受期待的关键：最薄、最硬、导热/导电性能最好。
具体来说： 1、石墨烯是世界上最薄的材料，非常透明，不渗透性最强，渗透性可控 2、石墨烯是世界上最硬的材料，是已知最硬的材料，比钢硬两倍，可弯曲，可拉伸晶体3.最好的导热/导电性能 导热性能最好的材料，具有最高的电流密度和最高的本征迁移率，并且是双极性的（非常适合高速半导体设计） 下图为诺贝尔奖委员会的观点石墨烯材料的宣传图片。
石墨烯是世界上最薄的材料，只有一个原子厚（约0.5纳米）。
左半部分阐释了石墨烯最基本的六边形结构，右半部分阐释了如果将一平方米的石墨烯材料制成吊床，其重量仅为0.77毫克，但可以承受不到4公斤的重量，例如图中的小黄猫。
下图2是石墨烯薄膜的实物照片。
关于石墨烯的具体应用。
2019年10月23日，国家主席习近平参观曼彻斯特大学国家石墨烯研究院。
主席在听取了曼彻斯特大学石墨烯研究的介绍后表示，中英两国可以在石墨烯研究领域实现“强强联合”。
相信双方的交流与合作将推动相关研发进程，使双方受益。
事实上，作为第一个成功分离出单个石墨烯平面的科研机构，英国曼彻斯特大学对于石墨烯的研究有着非常深厚的历史。
我国是石墨资源丰富的国家，拥有大量石墨烯研究专利。
截至今年，石墨烯相关专利超过1000件，其中超过38%来自中国。
可见，中英石墨烯合作确实堪称强强联合。
另一方面，英国正在实施新的“北方经济带”战略，曼彻斯特正式成为其中的重点城市。
这与中国的“一带一路”战略非常契合。
两国经济合作无疑可以使双方受益、实现双赢。
作为中国移动通信设备领先企业，华为当天还宣布与曼彻斯特大学开展为期两年的石墨烯应用研究合作项目。
可以肯定地说，此举并非巧合。
这种合作无论是从国家层面还是从企业追赶最新技术的考虑都是大势所趋。
下图1为习近平主席参观曼彻斯特大学地下超净石墨烯生产实验室。
陪同他的有英国经济大臣乔治·奥斯本（左一）和诺沃肖洛夫教授（右一）。
诺沃肖洛夫教授是当年石墨烯诺贝尔奖获得者之一。
有这样的行业权威陪同，体现了英国在石墨烯方面的实力以及对与中国合作的重视。
下图2是曼彻斯特大学国家石墨烯研究所的铭牌照片。
为什么说华为寻求石墨烯应用研究合作是大势所趋？也就是说，石墨烯因其神奇的特性，有望应用于计算机、通信、医疗、工业、能源等众多行业。
我们来一一举几个例子。
应用一：手机或可穿戴设备的柔性屏幕和电路成为可能。
石墨烯由于其极薄的结构和非常透光的特性，非常适合生产柔性屏幕和电路。
下图是三星开发的基于石墨烯电路的柔性屏产品。
应用二：计算机或通讯设备的速度有望突破GHz，进入太赫兹时代。
由于其优异的导电性、最高的本征迁移率和双极性，石墨烯可用于制造具有更高开关速度的半导体芯片，用于计算机或通信设备中的高速计算和数据传输。
下图 1 显示了三星半导体的毫米直径石墨烯半导体晶圆。
照片中还可以看到平面石墨烯结构的模型。
下图2是石墨烯半导体的概念图。
石墨烯材料被放置在传统半导体器件的沟道位置，以连接漏极和源极。
栅电极Gate Electrode位于石墨烯沟道上方。
石墨烯通道称为量子点，电子在该通道中可以以更快的速度移动。
应用三：由于石墨烯具有众所周知的最好的导热性，因此它在LED照明方面具有非常好的前景。
有了石墨烯，大功率LED灯泡的散热不再是难以逾越的障碍。
下图1为英国经济大臣奥斯本（右）和诺沃肖洛夫教授（左）在曼彻斯特大学讨论石墨烯LED灯泡。
应用四：石墨烯可以帮助加快DNA测序的进程，降低医学领域DNA测序的成本。
有望帮助阿尔茨海默病、癌症等疾病的诊断和治疗取得突破。
应用五，也是今天介绍的重点，就是石墨烯有助于提高储能设备的性能。
其中包括可用于汽车动力电池的锂电池、超级电容器和燃料电池。
这里必须提到两个令人兴奋的消息。
一是最近很火的新闻，叫做“中东完了，石墨烯电池一次充电10分钟可跑公里”。
其中，西班牙Graphenano公司研发的石墨烯电池采用了独特的双面铜箔涂层3D涂层技术。
这种涂料称为Graphenstone石墨烯矿物涂料。
该公司研发的电池预计能量密度将达到wh/kg，是目前传统电池的三倍以上。
还有消息称，Graphenano还与两家德国汽车巨头合作。
下图为西班牙Graphenano公司开发的石墨烯电池原型。
第二个消息是三星高等技术研究院（SAIT）完成了以硅为正极材料并包裹石墨烯薄膜的钴酸锂LiCoO2锂离子电池的原型开发，实现了1.5倍的能量提升密度。
下面是三星电池原型的放大照片。
图a是硅阴极材料在显微镜下的20nm放大照片。
b是a中白框部分进一步放大到5nm级别的放大照片。
图中可以看到明显的三层石墨烯薄膜。
c是进一步放大到2nm级别的放大照片，红色箭头部分是石墨烯薄膜生长的起点。
d是电池原型原理的介绍。
石墨烯薄膜包裹的硅材料正极成为提高电池能量的关键。
从以上两条消息可以看出，石墨烯材料的使用为汽车动力电池的发展带来了机遇。
但请记住，机遇总是与挑战并存。
目前，石墨烯材料仍然面临许多巨大的问题需要解决。
如果想要开发采用石墨烯技术的汽车动力电池，必须冷静识别市场炒作信息，识别真正的机会。
而只有等待足够的发展时间，才有希望真正实现技术创新。
挑战之一是石墨烯的大规模生产。
我国是石墨资源大国，石墨储量丰富。
但国内有很多企业实际上只能生产石墨烯粉体原料。
即只能分解得到多层石墨烯，而不具备真正分解得到最终实用的单层石墨烯薄膜的能力。
那么单层石墨烯薄膜的量产是一个非常大的挑战，同时对于有薄膜生产能力的企业来说也是一个非常大的机会。
下图介绍了几种主流单层石墨烯薄膜的制备方法及其价格和质量对比。
右上角显示的是机械剥离方法。
与曼彻斯特大学Heim团队使用的3M胶带方法类似。
主要用于学术研究。
质量高但成本也高。
右边中间部分是分子组装方法。
多采用纳米微电子技术，成本也很高。
左下部分显示液相剥落。
也称为溶剂剥离，是通过用溶剂逐层减薄石墨烯薄片而获得的。
其成本低，但质量也低。
大多数情况下只能将石墨烯薄膜化，而无法获得稳定的单层石墨烯材料。
主要用于涂料、储能、生物等应用。
中左为半导体碳化硅SiC的制备方法。
可以在碳化硅表面实现理想的石墨烯材料层。
主要用于半导体芯片和射频器件的生产。
成本最低、质量最好的制备方法是化学气相沉积（CVD）法，该方法已成熟应用于半导体、涂料等各个行业。
通过该制备方法获得的石墨烯可用于涂料、生物、半导体等多种应用。
挑战二：石墨烯材料本质上无法对汽车动力电池做出巨大改进。
也就是说，石墨烯可以提升电池性能，但并不能从根本上改变电池作为电池核心材料的特性。
原因是石墨烯材料不能单独用作电池的正极或负极材料。
相反，它大多与硅或锡等其他物质一起形成复合组件电池的正极或负极，从而提高电池性能。
例如，前面提到的三星电池原型采用了Gr-Si，一种石墨烯和硅的复合材料。
因此，其性能不仅取决于石墨烯，还取决于复合后的性能。
另一种可能性是使用石墨烯材料作为导电添加剂，但具有与另一种碳材料类似的特性。
那就是碳纳米管（CNT）。
碳纳米管早在2006年就被提出，并逐渐应用于电池行业。
因此，石墨烯材料虽然可以进一步提升电池性能，但相应的成本也大幅增加。
综上所述，石墨烯作为一种神奇的材料，具有优异的性能。
它是世界上最薄、最硬的材料，被公认为未来的黑金钥匙。
中英两国在石墨烯领域的研究合作可谓强强联手。
华为参与合作也将加快其在手机、通信乃至汽车电池领域追赶三星等国际领先企业的步伐，从而获得引领技术创新的动力。
石墨烯材料在汽车动力电池中的应用充满机遇，但同时也存在挑战。
其对汽车动力电池性能的提升还需要时间的检验。