一文讀懂石墨烯電池，是炒作？還是真的黑科技？

近日三星電子宣布開(kāi)發(fā)出核心電池技術(shù)，其研究機(jī)構(gòu)三星先進(jìn)技術(shù)研究院(SAIT)成功合成了“石墨烯球”，可將電池容量提高45%，而充電速度提高至現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的五倍。在各大新聞的重磅報(bào)道下，不明真相的吃瓜群眾就紛紛表示首款石墨烯電池又出世了。來(lái)吧，讓我們看看這神乎其神的“石墨烯電池”究竟是怎么回事。

石墨烯因其強(qiáng)大的導(dǎo)電性能而被認(rèn)為是革命性?xún)?chǔ)能材料。在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，“石墨烯電池”概念被反復(fù)提及，似乎已成為目前電動(dòng)汽車(chē)電池技術(shù)的突破口。石墨烯技術(shù)電池被稱(chēng)為是“里程碑式的黑科技”，但是在伴隨這追捧的情況下，爭(zhēng)議的硝煙也從未間斷。處在風(fēng)口浪尖的“石墨烯電池”到底是概念性的炒作?還是真的會(huì)改變世界的黑科技呢?

石墨烯到底是“神馬”?

實(shí)際上石墨烯本來(lái)就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。

它是英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在2004年用膠帶撕石墨“撕”出來(lái)的。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。

圖：物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫

1毫米厚的石墨片大約包含300萬(wàn)層石墨烯，這種網(wǎng)狀的二維、幾乎完全透明的晶體成為了世界上最薄但是最堅(jiān)硬的材料。同時(shí)，石墨烯具有極好的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，因此也是目前世界上電阻率最小的材料。

石墨烯電池能夠在最高60攝氏度下保持穩(wěn)定，穩(wěn)定且簡(jiǎn)單的物理結(jié)構(gòu)，讓這種材料能夠應(yīng)付更為嚴(yán)苛的環(huán)境，不只局限于電視，石墨烯同時(shí)也是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱(chēng)為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

所以，石墨烯瞬間一下子受到各界的青睞。尤其是電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，石墨烯電池更被神話(huà)為“充電五分鐘，奔跑一千公里”，然而神話(huà)就是神話(huà)啊~~

三星研究出石墨烯電池?別被字面文字騙了

關(guān)于石墨烯電池的新聞報(bào)道現(xiàn)在屢見(jiàn)不鮮，尤其是經(jīng)過(guò)各大媒體渲染之后，“首款石墨烯電池”會(huì)時(shí)不時(shí)的出現(xiàn)人們眼前。最近關(guān)于石墨烯電池的大事件當(dāng)屬于三星研究出石墨烯電池。

27日，三星電子宣布開(kāi)發(fā)出核心電池技術(shù)，三星先進(jìn)技術(shù)研究院宣布開(kāi)發(fā)出一種方法，用硅石來(lái)合成像三維爆玉米花一樣的石墨烯，然后將這些石墨烯“球”用作先進(jìn)鋰離子電池的材料。利用石墨烯延長(zhǎng)鋰離子電池續(xù)航時(shí)間，并加快充電速度。三星電子表示，其研究機(jī)構(gòu)三星先進(jìn)技術(shù)研究院(SAIT)成功合成了“石墨烯球”，可將電池容量提高45%，而充電速度提高至現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的五倍。這種石墨烯電池只需要12分鐘即可充滿(mǎn)電;而現(xiàn)有的鋰離子電池充電需要一個(gè)小時(shí)左右。

三星科學(xué)家展示石墨烯模型

可以看到，在這款電池中，石墨烯并沒(méi)有作為電池的正極或負(fù)極材料，而僅僅是幫助鋰離子電池續(xù)航，當(dāng)然，客觀來(lái)說(shuō)，這款電池的性能已經(jīng)很牛逼了，但是跟真正的石墨烯電池相去甚遠(yuǎn)。

其實(shí)在這之前，關(guān)于”石墨烯-超級(jí)電池”類(lèi)似這種噱頭十足的研究成果的新聞也不少見(jiàn)。

l 早在2014年12月初，西方媒體報(bào)道，西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研發(fā)的石墨烯電池，一次充電時(shí)間只需8分鐘，可行駛1000公里。它被石墨烯研究者稱(chēng)做“超級(jí)電池”。這種實(shí)驗(yàn)室的研究成果，距離實(shí)際商用果然還是太遠(yuǎn)。

l 15年12月份，中科院上海硅酸鹽研究所發(fā)布消息稱(chēng)，該所聯(lián)合北京大學(xué)、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)展開(kāi)持續(xù)攻關(guān)，已研制出一種高性能超級(jí)電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯，該材料具有極佳的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，可用作電動(dòng)車(chē)的“超強(qiáng)電池”，充電只需7秒鐘，即可續(xù)航35公里，相關(guān)研究成果已于12月18日發(fā)表在世界頂級(jí)期刊《科學(xué)》上。這個(gè)消息應(yīng)該是石墨烯“自嗨”的起點(diǎn)，而現(xiàn)在已經(jīng)馬上到2017年了，我們還沒(méi)有見(jiàn)到一輛石墨烯電池車(chē)動(dòng)車(chē)。

l 比如華為去年的新聞報(bào)道：“華為中央研究院瓦特實(shí)驗(yàn)室宣布，他們?cè)阡囯x子電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大研究突破，推出業(yè)界首個(gè)高溫長(zhǎng)壽命石墨烯基鋰離子電池，而這個(gè)新型耐高溫技術(shù)可以將鋰離子電池上限使用溫度提高 10℃，使用壽命是普通鋰離子電池的 2 倍。”

l 還有在Mate8的發(fā)布會(huì)之前，也曾以石墨烯點(diǎn)為宣傳點(diǎn)，造成“發(fā)布會(huì)未開(kāi)，Mate8已火”的盛況。但是后來(lái)，在長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)半小時(shí)的發(fā)布會(huì)中，華為只字未提“石墨烯”，只是提到了超長(zhǎng)續(xù)航、快速充電而已，以致于許多人大呼被騙了。

“石墨烯電池”不存在

石墨烯在電池領(lǐng)域的應(yīng)用形式，無(wú)外乎三種：一是直接作為正/負(fù)極材料;二是作為導(dǎo)電添加劑，添加到正/負(fù)極電極材料中，或?qū)﹄姌O材料進(jìn)行復(fù)合改性處理，提高電極導(dǎo)電性和充放電倍率;三是作為集流體或集流體涂層，用于提高電池功率特性。

而石墨烯在鋰離子電池上的應(yīng)用主要采取后兩種方式。因?yàn)槭┲苯幼鳛樨?fù)極材料時(shí)，其表面特性容易受外界影響，穩(wěn)定性極差，存在首次效率低下等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足鋰離子電池性能需求。

石墨烯材料與傳統(tǒng)電池材料混合，能夠顯著提升電池充放電、循環(huán)壽命等，它也成為動(dòng)力電池企業(yè)在新一輪市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的制勝點(diǎn)。不可否認(rèn)，石墨烯應(yīng)用工藝創(chuàng)新、研發(fā)，一直是制約我國(guó)電池相關(guān)行業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的難題。

縱觀全國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)，將石墨烯作為基礎(chǔ)材料添加到現(xiàn)有各類(lèi)電池材料中，已成為國(guó)內(nèi)各主流電池企業(yè)的普遍做法。

為什么說(shuō)石墨烯電池炒作大于實(shí)用?

不難發(fā)現(xiàn)，在很多百科以及專(zhuān)業(yè)的電池門(mén)戶(hù)網(wǎng)站上，很難找到關(guān)于石墨烯電池的詳細(xì)介紹。缺乏很多必要的技術(shù)參數(shù)，如能量密度、電壓、循環(huán)壽命等。對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，一個(gè)連基本結(jié)構(gòu)都沒(méi)有明確定義的電池，鋪天蓋地的新聞?dòng)衷跄茏屓讼嘈拍?新聞越多，會(huì)不會(huì)是“石墨烯電池”不靠譜的佐證呢?

那么石墨烯電池為何如一只困籠之獸呢?目前來(lái)看，采用石墨烯電池作為材料，還有很多內(nèi)在與外在的問(wèn)題急需解決：

1.成本無(wú)法接受。傳統(tǒng)導(dǎo)電炭黑和石墨都是論噸賣(mài)的，而石墨烯是論克賣(mài)，不知道猴年馬月才能降到與電炭黑和石墨相近的價(jià)格，即便是按照某些媒體報(bào)道的石墨烯降低到3元/克，換算成噸也要300萬(wàn)元/噸。再退一步講，就算“超級(jí)電池”真的能制造出來(lái)，它的價(jià)格也是我們這些“窮”人無(wú)法接受的。

2、工藝不兼容。石墨烯表面積過(guò)大，會(huì)對(duì)現(xiàn)有鋰離子電池的分散均漿等工序帶來(lái)一大堆工藝問(wèn)題。如果電池廠調(diào)工藝會(huì)是一個(gè)巨大的工程，而此時(shí)又沒(méi)有性能指標(biāo)突破性進(jìn)步帶來(lái)的足夠的利潤(rùn)空間驅(qū)動(dòng)，加之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)壽命等等都有很多問(wèn)題，目前來(lái)看無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)中遇到的一堆問(wèn)題。

3、如果石墨烯做負(fù)極(取代理論容量360mAh/g的石墨)：理論上最多是石墨負(fù)極兩倍的容量(720mAh/g)，效率太低，且性能受表面狀態(tài)影響極大，反觀硅，它的理論容量近石墨的10倍，且在抑制粉化開(kāi)裂方面這幾年來(lái)已經(jīng)有了很多科研和工業(yè)等級(jí)的成果。

所以“石墨烯電池”本來(lái)就是摻了點(diǎn)石墨烯的鋰離子/鉛酸電池，不存在替代問(wèn)題，因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)壓根就是“只可遠(yuǎn)觀不可褻玩焉”!

量產(chǎn)之路，道阻且長(zhǎng)

石墨烯材料從實(shí)驗(yàn)室到工程化應(yīng)用，再到商業(yè)化，還有很長(zhǎng)的路要走，更需要做好石墨烯及其改性材料在工業(yè)產(chǎn)品中的首批次示范應(yīng)用。

就目前來(lái)看，石墨烯電池?zé)o論是在先天性、技術(shù)方面、外在因素上，都或多或至少的存在著劣勢(shì)，至少在目前來(lái)看，石墨烯電池應(yīng)用在實(shí)際場(chǎng)景中，還需要很長(zhǎng)的路要走。

電池技術(shù)發(fā)展的確比較緩慢，這需要我們大家一起踏實(shí)把事情做好，而不是天天指著滿(mǎn)天飛的噱頭來(lái)解決生活中的問(wèn)題。面對(duì)中國(guó)現(xiàn)在石墨烯產(chǎn)品跟我國(guó)電池產(chǎn)品一樣，量大而質(zhì)拙。而到真正的石墨烯電池，我們可能還要有十年甚至更久的路走。用一個(gè)未來(lái)才會(huì)民用的東西，現(xiàn)在就宣稱(chēng)量產(chǎn)來(lái)圈錢(qián)，雖然出發(fā)點(diǎn)是好的，但并不利于我國(guó)電池行業(yè)的扎實(shí)發(fā)展。我們或許應(yīng)該好好學(xué)習(xí)下日本做電池的那種匠人精神。

小結(jié)

石墨烯電池目前就像一頭困獸，前后夾擊，不過(guò)石墨烯電池畢竟是一頭獸，也許什么時(shí)候突破了重圍也說(shuō)不定呢!