石墨烯的優(yōu)勢(shì) 石墨烯的理想和現(xiàn)實(shí)

石墨烯電池被稱為是新材料之王，它的作用讓科學(xué)家預(yù)言其將“徹底改變21世紀(jì)”。作為目前最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的納米材料，其發(fā)展一直備受關(guān)注。

在消費(fèi)電子領(lǐng)域，電池容量和充電速度一直都是亙古不變的話題，不少廠商都把充電時(shí)間和電池容量作為產(chǎn)品噱頭。而放眼全球電子設(shè)備市場(chǎng)，已經(jīng)問(wèn)世多年的鋰電池依舊是這一領(lǐng)域的絕對(duì)霸主，市面上幾乎所有智能手機(jī)都內(nèi)置了這一電池，就連波音公司的787“夢(mèng)幻客機(jī)”都內(nèi)置了大量鋰電池。

但是，鋰電池在安全性、續(xù)航能力、環(huán)境污染以及充電速度方面存在的巨大短板已經(jīng)開(kāi)始嚴(yán)重限制了各大高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此許多企業(yè)研發(fā)部門都將目光放到了更先進(jìn)的“石墨烯電池”（Graphene cell）上面，并相信這一新型電池未來(lái)將徹底取代已經(jīng)問(wèn)世超過(guò)26年的鋰電池。

什么是石墨烯電池？

墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，同時(shí)也是世界上電阻率最小的材料。

所謂的石墨烯電池是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出的一種新能源電池。作為目前最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯的概念自2004年問(wèn)世以來(lái)一直備受關(guān)注。

以動(dòng)力電池領(lǐng)域?yàn)槔?，石墨烯是具有良好?yīng)用前景的鋰離子電池正負(fù)極材料。同時(shí)，石墨烯聚合材料電池的重量?jī)H為傳統(tǒng)電池50%，成本將比鋰電池低77%。從性能來(lái)看，石墨烯鋰電池充電一次，耗時(shí)也不超過(guò)10分鐘。

由于其獨(dú)有的特性，石墨烯被稱為“神奇材料”，科學(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改變21世紀(jì)”。

理想很美好

眾所周知，目前智能手機(jī)領(lǐng)域使用最多的電池材料依舊是鋰電池，鋰電池最早于1991年商用，之后成為電子設(shè)備的標(biāo)配。但很多人認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到極限，希望尋找替代來(lái)源，于是石墨烯電池技術(shù)就進(jìn)入了人們的視線。

目前的消息顯示，三星下一代旗艦機(jī)型Galaxy S9將使用石墨烯材質(zhì)電池來(lái)取代現(xiàn)有的鋰電池。這類電池在相同體積下的電池存儲(chǔ)能力大約是鋰電池的45%，但卻可以在12分鐘內(nèi)完成充滿電，而且可以在高達(dá)60攝氏度的環(huán)境中保持高度穩(wěn)定性。這也就使得這一材料電池不僅十分適用于智能手機(jī)，還非常適用于電動(dòng)汽車。

據(jù)悉，三星研究所已經(jīng)找到了將石墨烯與二氧化硅大規(guī)模結(jié)合起來(lái)的方法，完成融合的材料被稱為“石墨烯球”，有著類似爆米花的結(jié)構(gòu)。研究人員指出，這種技術(shù)既提高了電池的穩(wěn)定性，又提高了電導(dǎo)率，“大大提高了陰極的可循環(huán)性和快速充電能力”。更重要的是，它們的能量密度接近800Wh/L，大約與特斯拉所使用的鋰離子電池等一樣。

外界分析認(rèn)為，如果三星是全球首家成功將石墨烯材質(zhì)電池投入量產(chǎn)設(shè)備的廠家，那么將使得這家韓國(guó)企業(yè)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)成為石墨烯材質(zhì)的獨(dú)家供應(yīng)商或者專利持有方，而這對(duì)于該公司的營(yíng)收和全球地位提升也有著巨大幫助。

與此同時(shí)，“石墨烯電池”的概念在新能源汽車領(lǐng)域也被反復(fù)提及，似乎已成為目前電動(dòng)汽車電池技術(shù)的突破口。石墨烯技術(shù)電池被稱為“里程碑式的黑科技”，號(hào)稱能夠延長(zhǎng)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程、電池壽命，同時(shí)縮短充電時(shí)間。

其中最具代表性的或許就是Fisker（菲斯科）創(chuàng)始人亨利-菲斯科（Henry Fisker）所研發(fā)的Fisker EMotion電動(dòng)車了。Fisker EMotion將采用新的石墨烯電池材料，充電九分鐘就可以行駛208公里，最大續(xù)航里程達(dá)到644公里，最高時(shí)速為259公里/小時(shí)。該車預(yù)計(jì)在2020年，率先在英國(guó)出售。

此外，國(guó)內(nèi)媒體有報(bào)道稱浙江大學(xué)科學(xué)家日前利用石墨烯膜作為正極材料，研發(fā)出了一種新型的鋁-石墨烯電池。這種電池壽命超長(zhǎng)，能在極短時(shí)間內(nèi)充滿電，且在零下40℃到120℃的溫度范圍內(nèi)都能正常工作。

而且，此次研發(fā)出的鋁-石墨烯電池還有一些當(dāng)前其他電池?zé)o可匹敵的特性。比如低溫至零下40℃，鋁-石墨烯電池仍能穩(wěn)定充放電1000次；高溫至100℃，穩(wěn)定充放電45000次，即使電芯暴露于火焰中也不會(huì)起火或爆炸。這一寬溫度使用范圍為將來(lái)鋁離子電池在極端溫度條件下的使用打下了基礎(chǔ)。

此外，這種電池還具備很好的柔性，在1萬(wàn)次彎折后容量依舊可以保持不變，展現(xiàn)出了在可穿戴柔性電子器件中的應(yīng)用潛力。

現(xiàn)實(shí)很骨感

目前的資本市場(chǎng)對(duì)于石墨烯電池存在巨大的想象空間，但也有不少學(xué)者認(rèn)為，石墨烯電池目前多方面技術(shù)難以突破，因此還是一種處于實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)物，距離其真正量產(chǎn)仍然遙遙無(wú)期。

北京有色金屬研究總院高級(jí)工程師、清華大學(xué)博士劉冠偉在接受記者采訪時(shí)認(rèn)為，“首先如何定義石墨烯電池就存在分歧：電極材料中添加了石墨烯材料就定義為石墨烯電池存在誤導(dǎo)。關(guān)于石墨烯電池的新聞都僅限于一些皮毛的報(bào)道，連電池的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理示意圖都沒(méi)有，也缺乏具體的能量密度、電壓、循環(huán)壽命等具體技術(shù)參數(shù)。對(duì)于電池工業(yè)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有這些信息，報(bào)道出來(lái)的新聞缺乏最基本的可信度，虛假夸大宣傳的可能性極大?！?/p>

中國(guó)石油大學(xué)教授李永峰同樣持質(zhì)疑態(tài)度。他認(rèn)為，目前石墨烯在電池上的應(yīng)用，主要是和硅結(jié)合在電池負(fù)極里面代替原來(lái)的石墨，這樣可以提升電池的整體容量和充電速度，但性能提升效果有限，網(wǎng)上傳言顛覆式提升并不太現(xiàn)實(shí)。此外，也有業(yè)內(nèi)人士提及，石墨烯表面特性受化學(xué)狀態(tài)影響巨大，批次穩(wěn)定性、循環(huán)壽命等問(wèn)題也比較難以滿足鋰電池生產(chǎn)的細(xì)致要求。

中信建投的報(bào)告同樣顯示，具備優(yōu)異性質(zhì)的石墨烯產(chǎn)品何時(shí)能走出實(shí)驗(yàn)室仍然是未知數(shù)。例如石墨烯作為透明導(dǎo)電膜使用時(shí)，其工業(yè)產(chǎn)品的制備便存在一定的瓶頸，使得產(chǎn)品中石墨烯原油的電導(dǎo)率低等特性無(wú)法發(fā)揮。由于單層石墨烯沒(méi)有帶隙，無(wú)法實(shí)現(xiàn)邏輯電路必需的晶體管開(kāi)關(guān)功能，工藝復(fù)雜性程度大幅提高，因此其在微電子領(lǐng)域的廣泛使用還有待時(shí)日。

誠(chéng)然，石墨烯被認(rèn)為是未來(lái)最具潛力的材料之一，但就目前而言，它的泡沫成分大于實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，阻礙這種材料普及的因素很多，可量產(chǎn)性和成本則是最主要的普及障礙，石墨烯電池要想在短期內(nèi)徹底取代鋰電池恐怕還有很長(zhǎng)的路要走。