關(guān)鍵詞：特性、現狀、動(dòng)向

 

1.石墨烯特性

 

石墨烯是2004年由曼徹斯特大學(xué)科斯提亞•諾沃謝夫和安德烈•蓋姆發(fā)現的，他們使用的是一種被稱(chēng)為機械微應力技術(shù)的簡(jiǎn)單方法。正是這種簡(jiǎn)單的方法制備出來(lái)的簡(jiǎn)單物質(zhì)石墨烯，推翻了科學(xué)界的一個(gè)錯誤認識：任何二維晶體不能在有限的溫度下穩定存在。石墨烯這種二維晶體不僅可以在室溫存在，而且十分穩定的存在于通常的環(huán)境下。

 

石墨烯與所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度穩定，即使被切成1納米寬的元件，其導電性也很好。此外，石墨烯單電子晶體管可在室溫下工作。而作為熱導體，石墨烯比目前任何其他材料的導熱效果都好。更令人稱(chēng)奇的是，石墨烯的柔韌性特別好，厚度只有一層碳原子的石墨烯被稱(chēng)為“奇跡材料”。

 

石墨烯

 

石墨烯是目前已知的硬度最高、最薄的材料，僅有一個(gè)碳原子厚。石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，只有0.34納米厚，十萬(wàn)層石墨烯疊加起來(lái)的厚度大概等于一根頭發(fā)絲的直徑，人們用肉眼是看不見(jiàn)的。

 

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的單層二維碳納米材料，這種穩定二維蜂巢狀晶格結構賦予了石墨烯力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和微觀(guān)量子性質(zhì)等極為優(yōu)異的性能，被稱(chēng)為“材料之王”。

 

石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)，由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯具有完美的二維晶體結構，它的晶格是由六個(gè)碳原子圍成的六邊形，碳原子之間由s鍵連接，結合方式為sp2雜化，這些s鍵賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結構剛性。

 

石墨烯具有獨特的電子能帶結構，以獨立碳原子為基，將周?chē)�碳原子產(chǎn)生的勢作為微擾，可以用矩陣的方法計算出石墨烯的能級分布，石墨烯中電子的有效質(zhì)量為零，表現出了石墨烯獨特的電學(xué)性質(zhì)。

 

石墨烯是人類(lèi)已知強度最高的物質(zhì)，它比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍，在每100納米距離上可承受的最大壓力竟然達到了2.9微牛左右。

 

石墨烯是世上電阻率最小的材料，在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，遷移速率僅為光速的三百分之一，遠遠高出其在硅、銅等傳統半導體和導體中的速率。石墨烯電阻率極低，電子能在其中極為高效地移動(dòng)，這使得石墨烯具有非常好的導電性。

 

2.石墨烯分類(lèi)

 

完美的石墨烯是二維的，它只包括六角元胞(等角六邊形)，如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他們構成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞細胞會(huì )使石墨烯翹曲，12個(gè)五角元胞的會(huì )形成富勒烯。石墨烯是單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯的統稱(chēng)。

 

1）單層石墨烯（Graphene）是指由一層以苯環(huán)結構（即六角形蜂巢結構）周期性緊密堆積的碳原子構成的一種二維碳材料。

 

2）雙層石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）是指由兩層以苯環(huán)結構（即六角形蜂巢結構）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）構成的一種二維碳材料。

 

3）少層石墨烯（Few-layer）是指由3～10層以苯環(huán)結構（即六角形蜂巢結構）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）構成的一種二維碳材料。

 

4）多層或厚層石墨烯（multi-layer graphene）是指厚度在10層以上10nm以下苯環(huán)結構（即六角形蜂巢結構）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）構成的一種二維碳材料。

 

常見(jiàn)的天然石墨是由一層層蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成較薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，形成的一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯，是碳的二維結構。

 

石墨烯

 

石墨烯是碳的各種形態(tài)中的基本結構，可以從石墨烯成功制備出如富勒烯、碳納米管，彈道晶體管等其他碳素新材料，石墨烯也因此被稱(chēng)為“碳材料之母”。只要添加一點(diǎn)石墨烯進(jìn)入其它材料，就有可能產(chǎn)生意想不到的效果，作為材料界引起革命性改變的“超級材料”，石墨烯幾乎無(wú)所不能。

 

3.石墨烯鋰電池

 

當前主流新能源汽車(chē)電池技術(shù)，已從原來(lái)的鉛酸電池升級為鋰電池技術(shù)，但是鋰電池依然存在難以突破的技術(shù)瓶頸，電池續航里程短、充電時(shí)間慢、以及能量密度偏低，將石墨烯其運用到鋰電池中，使電池具有充電快、儲能密度大、續航長(cháng)、壽命更長(cháng)等特點(diǎn)。目前，行業(yè)內專(zhuān)家對石墨烯電池技術(shù)寄予很高的期望，成為了車(chē)企及研究機構研發(fā)的重點(diǎn)。

 

石墨烯鋰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動(dòng)的特性開(kāi)發(fā)出的一種新型電池，世界上的首款石墨烯聚合材料電池由西班牙graphenano公司和科爾瓦多大學(xué)合作研發(fā)，其儲電量是市場(chǎng)最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動(dòng)汽車(chē)最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。

 

雖然此電池具有各種優(yōu)良的性能，但其成本并不高。Graphenano公司相關(guān)負責人稱(chēng)，此電池的成本將比鋰電池低77%，完全在消費者承受范圍之內。此后全世界的電池企業(yè)對于石墨烯都寄予了極高的期待值，此外，在汽車(chē)燃料電池等領(lǐng)域，石墨烯還有望帶來(lái)革命性進(jìn)步。

 

基于石墨烯技術(shù)的電池被稱(chēng)為“里程碑式的黑科技”，號稱(chēng)能夠延長(cháng)電動(dòng)車(chē)續航里程、電池壽命，同時(shí)縮短充電時(shí)間。但石墨烯電池要想在短期內徹底取代鋰電池恐怕還有很長(cháng)的路要走。將電極材料中添加了石墨烯材料就定義為石墨烯電池是存在誤導的，目前，石墨烯電池仍有多方面技術(shù)難以突破，因此還是一種處于實(shí)驗室的產(chǎn)物，距離其真正量產(chǎn)仍然遙遙無(wú)期。

 

石墨烯電池

 

基于石墨烯技術(shù)的電池實(shí)驗階段的成功，無(wú)疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新的發(fā)展點(diǎn)。電池技術(shù)是電動(dòng)汽車(chē)大力推廣和發(fā)展的最大門(mén)檻，而電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設備研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的變革。由于石墨烯擁有超乎想像的導電能力，石墨烯電池概念成為突破電池技術(shù)瓶頸的救命稻草，尤其國內電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)但凡有技術(shù)突破都與石墨烯電池掛鉤。

 

從微觀(guān)的角度看蓄電池的充放電過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)陽(yáng)離子在電極中“鑲嵌”和“脫離”的過(guò)程。所以，如果電極材料中的孔洞越多，則這個(gè)過(guò)程進(jìn)行的越迅速，在宏觀(guān)的角度看則表現為蓄電池充放電的速度越快。石墨烯的微觀(guān)構造是一個(gè)由碳原子所組成的網(wǎng)狀結構，因為具有極限的薄度(只有一層原子的厚度)，所以陽(yáng)離子的移動(dòng)所受限制很小。同時(shí)正因為具有網(wǎng)狀結構，由石墨烯所制成的電極材料也擁有充分的孔洞。

 

從這個(gè)方面看，石墨烯無(wú)疑是一種非常理想的電極材料。使用石墨烯作為電池的陽(yáng)極材料，其充放電速度將超過(guò)鋰離子電池的10倍。石墨烯電池價(jià)格昂貴，成本較高，所以在制造石墨烯電池時(shí)，以目前的工藝和技術(shù)暫時(shí)是無(wú)法降低石墨烯電池價(jià)格的。準確的來(lái)講，目前市面上還沒(méi)有一款真正意義上的“石墨烯電池”，基本上都是在材料中加入一點(diǎn)石墨烯，以提高鋰電池的部分性能的石墨烯基鋰離子電池。

 

4.石墨烯基鋰電池

 

目前鋰電池常用的負極材料是石墨，鋰離子電池中的“鋰離子”指的是電池中的儲能物質(zhì)，在充放電過(guò)程中發(fā)生電池反應（化學(xué)變化）。是一類(lèi)由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰電池大致可分為兩類(lèi)：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的�？沙潆婋姵氐牡谖宕�鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現在只有少數幾個(gè)國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

 

實(shí)際上，鋰離子電池充放電速度是由鋰離子在電極中的傳輸和脫嵌速度來(lái)決定，石墨烯具有優(yōu)異的電子和離子傳導性能及特殊的二維單原子層結構，可在電極材料顆粒間構成三維電子和離子傳輸網(wǎng)絡(luò )結構，石墨烯材料如果能成功的應用在鋰離子電池中，可大幅度提升鋰離子電池充放電速度，實(shí)現電池技術(shù)的巨大突破，并將推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)實(shí)現躍進(jìn)式發(fā)展。

 

石墨稀電池的表現是比鋰電池要好很多，特別是電池的動(dòng)力特性、電容量、壽命等方面。但是目前石墨稀還沒(méi)達到實(shí)用化階段，離大批量生產(chǎn)還有很長(cháng)的路要走。雖然石墨烯在鋰電池中的應用目前并不可觀(guān)，但今天的石墨烯并不等同于未來(lái)的石墨烯， 從結構上來(lái)看，石墨烯的片狀結構抑制鋰離子的擴散，容易造成電池極化嚴重，這也導致了石墨烯的振實(shí)和壓實(shí)密度都非常低，再加上石墨烯成本極其昂貴。

 

綜合來(lái)講，不存在取代傳統電極材料直接用作鋰電池的可能性，石墨烯的出現為鋰離子電池高性能的突破帶來(lái)了可能,從而為高容量、高倍率、長(cháng)壽命的鋰離子電池材料的研究掀起新一輪的研究熱潮。

 

石墨烯是具有良好應用前景的鋰離子電池正負極材料，石墨烯聚合材料電池的使用壽命較長(cháng)，是傳統氫化電池的四倍，鋰電池的兩倍。且因石墨烯的特性，此電池的重量?jì)H為傳統電池的一半，使得裝載該電池的汽車(chē)更加輕量化，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車(chē)的效率。

 

 

基于石墨烯包覆改性鋰離子電池正、負極材料技術(shù)獲得重大突破，經(jīng)測試，該技術(shù)能將鋰離子電池正極材料比容量提升15%～25%，將循環(huán)1000次后的容量保持率提升30%～40%；把負極材料的容量提升40%～45%，將循環(huán)1000次后的容量保持率提升35%～50%。

 

目前，石墨烯在電池上的應用，主要是與硅結合在電池負極里面代替原來(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。此外，也有業(yè)內人士提及，石墨烯表面特性受化學(xué)狀態(tài)影響巨大，批次穩定性、循環(huán)壽命等問(wèn)題也比較難以滿(mǎn)足鋰電池生產(chǎn)的細致要求。

 

2016年7月8日，世界首款石墨烯基鋰離子電池產(chǎn)品在京發(fā)布，該產(chǎn)品的研發(fā)成功，徹底打開(kāi)了石墨烯在消費電子鋰電池、動(dòng)力鋰電池以及儲能領(lǐng)域鋰電池的應用空間。首款石墨烯基鋰離子電池性能優(yōu)良，可在-30～80環(huán)境下工作，電池循環(huán)壽命高達3500次左右，充電效率是普通充電產(chǎn)品的24倍。

 

在2018年12月1日，華為中央研究院瓦特實(shí)驗室在第57屆日本電池大會(huì )上，宣布在鋰離子電池領(lǐng)域實(shí)現重大研究突破，推出業(yè)界首個(gè)高溫長(cháng)壽命石墨烯基鋰離子電池。華為推出的是石墨烯基鋰離子電池，不是石墨烯電池。具體說(shuō)來(lái)就是將石墨烯作為一種介質(zhì)加入到鋰離子電池之中，起到的作用也是散熱和提高壽命等。要是說(shuō)真正的全石墨烯電池，現在有些過(guò)于科幻了，不過(guò)這也不代表不可能。

 

目前是華為利用了石墨烯的優(yōu)秀特性改造了鋰離子電池，華為研發(fā)的石墨烯基鋰離子電池主要在三個(gè)方面取得突破：

 

1）在電解液中加入特殊添加劑，除去痕量水，避免電解液的高溫分解。

 

2）電池正極選用改性的大單晶三元材料，提高材料的熱穩定性。

 

3）采用新型材料石墨烯，可實(shí)現鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱。

 

華為推出的業(yè)界首個(gè)高溫長(cháng)壽命石墨烯基鋰離子電池，是采用了以石墨烯為基礎的新型耐高溫技術(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。石墨烯基鋰離子電池主要適用于高溫極端環(huán)境，其原理是通過(guò)在電解液中加入高溫抗分解添加劑，配合高溫穩定的大單晶正極，大幅提升電池熱穩定性，同時(shí)采用石墨烯進(jìn)行高效散熱。

 

在高溫環(huán)境下的充放電測試表明，同等工作參數下，該石墨烯基高溫鋰離子電池的溫升比普通鋰離子電池降低5℃；60℃高溫循環(huán)2000次，容量保持率仍超過(guò)70%；60℃高溫存儲200天，容量損失小于13%。這一研究成果將給通信基站的儲能業(yè)務(wù)帶來(lái)革新。在炎熱地區使用該高溫鋰離子電池的外掛基站工作壽命可達4年以上。石墨烯基鋰離子電池也將助力電動(dòng)汽車(chē)在高溫環(huán)境下持久續航，以及無(wú)人機高溫發(fā)熱下的安全飛行。

 

石墨烯基鋰離子電池可能還需要一段時(shí)間才能商用了，不過(guò)這并不影響對這種電池技術(shù)有所期待。這一技術(shù)的最大特點(diǎn)就是能夠大幅提高電池的熱穩定性和使用壽命，要知道之前的鋰離子電池在高溫下工作不僅效率低，而且會(huì )極大地降低壽命。石墨烯基鋰離子電池只是人們對于這種材料的一次嘗試，或許現在石墨烯對于電池性能的提升并不是革命性的。

 

5.石墨烯鋰電池的研發(fā)動(dòng)向

 

鋰烯電池是以石墨烯復合納米材料制成正極，以涂層金屬鋰為負極，再使用陶瓷纖維隔膜，滴防燃爆電解液組成，涂層的鋰片抑制了鋰枝晶的生長(cháng)，陶瓷纖維隔膜可防止意外的枝晶穿透、防燃爆電解液抑制了起火，爆炸的意外發(fā)生。

 

將石墨烯包覆鋰離子正、負極材料技術(shù)應用到動(dòng)力電池上，有望提升目前三元鋰離子電池單體能量密度（約200瓦時(shí)/千克），達到《智能汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實(shí)施方案》提出的2020年車(chē)用動(dòng)力電池能量密度指標300瓦時(shí)/千克的目標。

 

以機械石墨烯為主要新材料制成正極，以涂層金屬鋰為負極，組成鋰烯電池，經(jīng)過(guò)一千多次循環(huán)，結果證明，比容量初始最高可達1800mAh/g，100次時(shí)穩定在1200mAh/g以上，約等于一般鋰電池的4～5倍。200次時(shí)穩定在1100mAh/g，400～00次也一直穩定在1000mAh/g以上，至700～800次，都是在900mAh/g以上，至1100次時(shí)，也還有700mAh/g以上的比容量，比一般的鋰電池高出兩三倍。

 

2019年又有了顯著(zhù)進(jìn)展，在比容量提升至2700mAh/g以上的同時(shí)，也感受到了鋰烯電池的能量還有很大的上升空間。

三星旗艦機型GalaxyS9

 

目前，三星下一代旗艦機型GalaxyS9將使用石墨烯材質(zhì)電池來(lái)取代現有的鋰電池，這類(lèi)電池可以在12分鐘內完成充滿(mǎn)電，而且可以在高達60攝氏度的環(huán)境中保持高度穩定性。這也就使得這一材料電池不僅十分適用于智能手機，還非常適用于電動(dòng)汽車(chē)。

 

三星研究所已經(jīng)找到了將石墨烯與二氧化硅大規模結合起來(lái)的方法，完成融合的材料被稱(chēng)為“石墨烯球”，有著(zhù)類(lèi)似爆米花的結構。這種技術(shù)既提高了電池的穩定性，又提高了電導率，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，其能量密度接近800Wh/L，大約與特斯拉所使用的鋰離子電池等一樣。

 

美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子電池在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘，容量大，充電速度快，是石墨烯電池最大的優(yōu)勢，未來(lái)一分鐘快充的石墨烯電池實(shí)現產(chǎn)業(yè)化后，將帶來(lái)電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的革新。

 

以動(dòng)力電池領(lǐng)域為例，石墨烯是具有良好應用前景的鋰動(dòng)力電池正負極材料。同時(shí)，石墨烯聚合材料動(dòng)力電池的重量?jì)H為傳統動(dòng)力電池50%，成本將比鋰動(dòng)力電池低77%。從性能來(lái)看，石墨烯鋰動(dòng)力電池充電一次，耗時(shí)也不超過(guò)10分鐘。

 

對于未來(lái)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的討論，最靠譜、討論最多的要屬石墨烯動(dòng)力電池，將一些專(zhuān)業(yè)角度的解讀“翻譯”一下就是：用這種材料結合鋰動(dòng)力電池有兩種使用方法，一是用石墨烯的復合材料作為鋰動(dòng)力電池的導電劑，二是直接用作負極，效果都是增加鋰動(dòng)力電池的活性，從而提升電動(dòng)汽車(chē)的續航里程、充電速度。

 

目前常見(jiàn)的三元材料鋰動(dòng)力電池能量密度在180～200mAh/g，而石墨烯聚合材料動(dòng)力電池的能量密度則可以超過(guò)600mAh/g。也就是說(shuō)，如果將特斯拉P85上的動(dòng)力電池替換為同等重量的石墨烯動(dòng)力電池，其續航里程將達到約1500km，是原來(lái)的3倍。

 

除了能量密度高，石墨烯動(dòng)力電池的充電速度也要比鋰動(dòng)力電池快很多，可以有效解決充電時(shí)間長(cháng)的問(wèn)題。石墨烯動(dòng)力電池的壽命可以達到鋰動(dòng)力電池的2倍，采用石墨烯動(dòng)力電池將能夠有效降低電動(dòng)汽車(chē)的成本，進(jìn)而提升市場(chǎng)競爭力。