O grafeno tem muitos benefícios devido às excelentes propriedades e características que é capaz de exibir e é por isso que grafeno tem uma ampla gama de aplicações que está aumentando apenas dia a dia. De acordo com desenvolvimentos recentes, as baterias de grafeno estão sendo introduzidas no mercado e estão se mostrando um enorme sucesso, pois exibem algumas características notáveis que beneficiam muito o mercado e as indústrias.
Introdução
O grafeno é conhecido como estrutura bidimensional de uma grafite, onde uma camada plana de átomo de carbono é organizada em uma treliça de favo de mel de suporte. Pode-se fazer grafeno de várias maneiras, incluindo deposição química de vapor com PE-CVD ( com plasma ), que é a melhor maneira de produzir grafeno.
Vantagens significativas do PE-CVD
As principais vantagens das técnicas de PE-CVD incluem crescimento livre de transferência e sem catalisador e temperaturas mais baixas do substrato operacional. No método de deposição de vapor químico aprimorado pelo plasma, uma mistura especial de gases, incluindo carbono, é aquecida no plasma, criando uma camada de grafeno em uma placa de níquel ou cobre. O grafeno é posteriormente extraído da placa.
Características do grafeno
O grafeno é simplesmente a forma mais fina possível da grafite. O grafeno tem uma espessura de uma única camada atômica, exibindo uma estrutura hexagonal muito condensada. Depois que quebramos o grafeno em uma única camada atômica, ele possui várias características e características notáveis que são diferentes das características e características da grafite. O grafeno é um condutor de eletricidade muito eficiente. O grafeno é um material leve e flexível, além de ser um material muito forte. 200 vezes mais da força do aço é oferecida pelo grafeno, enquanto seu peso é apenas uma fração do peso do aço.
Semelhante às baterias comerciais de íons de lítio, a energia é transferida pelas placas de grafeno porosas e altamente condutoras para carregar ou descarregar a bateria em alta taxa. As semelhanças no design são compartilhadas pelas baterias de grafeno e íons de lítio, mas elas têm uma ampla gama de diferenças.
Descoberta e Síntese de Grafeno
Embora o grafeno devesse existir no início dos anos 40, Konstantin Novoselov e Andre Geim sintetizaram as folhas de grafeno da monocamada em 2004 e foi por essa conquista que receberam o Prêmio Nobel de Física. Método da fita adesiva é um método de síntese notavelmente simples. A esfoliação mecânica do grafite pode apenas isolar as monocamadas do grafeno, e a fita adesiva é usada para afastar uma camada do volume.
Outros métodos para produzir grafeno
Houve o desenvolvimento de outros métodos para produzir grafeno. A centrifugação e sonicação de grafite em um líquido são incluídas nelas para criar uma dispersão de grafeno, síntese de açúcar, conhecida como ‘método Tang-Lau’, redução do carboneto de silício, e o crescimento epitaxial pela deposição química de vapor CVD ( ). É por causa das excelentes características e da descoberta do método de síntese que o grafeno é um material altamente pesquisado. Houve um crescimento significativo no interesse científico do material desde sua descoberta.
Diferentes formas de grafeno
Geralmente, o grafeno é manuseado em um substrato, em uma dispersão ou como pó de óxido de grafeno. A forma de entrega não importa, pois o material possui várias características notáveis, que incluem características mecânicas, térmicas, ópticas e eletrônicas. A espessura do grafeno de uma camada atômica é a razão de suas várias características notáveis.
Propriedades do grafeno
Propriedades elétricas
Uma mobilidade eletrônica extremamente alta ( 2 × 105 cm2 / Vs ) é possuída pelo grafeno que faz do grafeno um material altamente condutor à temperatura ambiente, com 31 Ω/sq de resistência da folha e 106 S / m de condutividade.
Propriedades ópticas
O grafeno é muito transparente à luz visível, com 97,7% de transparência. As pessoas se aproveitam quando determinam a quantidade de camadas de grafeno, pois 2,3% da luz é absorvida por cada camada.
Propriedades mecânicas
Com 0,77 mg / m2 de densidade plana, o grafeno é um material muito leve. De todos os materiais conhecidos, o grafeno possui a estrutura cristalina mais difícil. Em comparação com o módulo elástico de 200 GPa para o aço mais comum, o grafeno possui 1,1 TPa de módulo elástico e 125 GPa de resistência à tração. O grafeno possui 42 N / m de resistência à ruptura, portanto, em comparação com a resistência mecânica do aço, uma resistência mecânica 100 vezes melhor é possuída pelo grafeno.
Condutividade elétrica do grafeno
Há uma pequena sobreposição possuída pelo grafeno entre as bandas de condução e valência. É classificado como semicondutor de banda zero e como semimetal devido a isso. O grafeno é classificado como material semi-metálico devido à presença de elétrons com concentrações específicas na banda de condução e nos orifícios da banda de valência, mesmo à temperatura zero absoluta (, levando em consideração sua estrutura eletrônica sem lacunas, o que significa que a oscilação dos elétrons através da banda de condução é possível e esse também é o motivo de sua alta condutividade elétrica. Em comparação com as poucas camadas de grafeno, uma camada de grafeno exibe 10.000 vezes mais condutividade elétrica.
Propriedades térmicas
5300 W / mK de condutividade térmica são possuídos por grafeno, que é mais de 10 vezes a condutividade térmica do cobre. A condutividade térmica do grafeno cai para 500-600 W / mK quando o grafeno é suportado em um material amorfo.
Propriedades brilhantes do grafeno como bateria
Com 2.630 m2 / g de uma área de superfície comparativa, o grafeno é uma folha de átomos de carbono de 1 átomo de espessura, excelente para armazenar as cargas sem degradação no ciclismo de longo prazo. As ligações de grafeno fornecem ao grafeno mais de 4 vezes a resistência à tração do aço, sendo super flexível, transparente e um notável condutor de calor e eletricidade. Tais características do grafeno o tornam uma opção apropriada para a bateria e o supercapacitor.
Superando a baixa densidade de energia
Apesar de não poder armazenar tanta energia quanto uma bateria, o supercapacitor de grafeno pode ser completamente recarregado em minutos. Os cientistas trabalharam no acoplamento de baterias e supercapacitores como sistemas híbridos de armazenamento de energia para superar a baixa densidade de energia dos supercapacitores de grafeno.
