石墨烯是一種由碳原子構成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，導熱系數(shù)高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率比銅或銀更低。

 

石墨烯是世上最薄、最堅硬、最導熱、最導電的材料。

 

據(jù)說它是下圖中的兩個人在2004年用膠帶撕石墨“撕”出來的，而且還活活撕出一枚諾貝爾獎。驚不驚喜？意不意外？

 

這兩個人一個叫安德烈˙海姆，另一個叫和康斯坦丁˙諾沃肖洛夫，二人均是英國曼徹斯特大學物理學家，因為“二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

 

之后，石墨烯這款神奇材料便廣為人知。最近兩年，石墨烯在在國內(nèi)也是被炒的如火如荼。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016年，我國石墨烯市場總體規(guī)模突破40億元，石墨烯相關產(chǎn)品銷售額達30億元左右。據(jù)中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟預測，2017年我國石墨烯市場規(guī)模將快速擴大，有望突破100億元，成為全球最大的石墨烯消費國家。

 

石墨烯瞬間收到各界的青睞。尤其是電動汽車領域，石墨烯電池被神話為“充電五分鐘，奔跑一千公里”，媽媽再也不用擔心我的續(xù)航了。

 

那么石墨烯電池又是什么鬼？

 

石墨烯電池的能量密度高達600Wh/kg，而一塊鋰電池(以最先進的為準)的比能量數(shù)值為180wh/kg。

 

換句話說，一輛電動汽車如果想達到設定的動力蓄電池組總能量，配備石墨烯電池的重量只需普通動力電池的八分之一即可(石墨烯電池本身的重量僅為傳統(tǒng)電池的一半)。理論上來說，其使用壽命也是傳統(tǒng)氫化電池的四倍，鋰電池的兩倍。

 

但是，純粹的石墨烯電池，目前維基百科也沒有定義。即便是當年西班牙Graphenano和Cordoba合作的著名石墨烯電池，在bragabout2015年即將量產(chǎn)之后，我們給了他兩倍時間也沒找到量產(chǎn)的一根頭發(fā)絲兒。

 

目前，市面上大部分所謂的石墨烯電池都是在鋰電池等電池中通過技術手段添加一些石墨烯，更多還是作為輔助材料的“配角兒”。

 

我們來看一下石墨烯在鋰離子電池中可能(僅僅是可能性)的應用領域。

 

作為負極：

 

1、石墨烯單獨用于負極材料；

 

2、與其它新型負極材料，比如硅基和錫基材料以及過渡金屬化合物形成復合材料；

 

3、負極導電添加劑。

 

石墨烯單獨用做鋰電負極材料的可能嗎？

 

用作鋰電負極產(chǎn)業(yè)化前景渺茫

 

純石墨烯的充放電曲線跟高比表面積硬碳和活性炭材料非常相似，都具有首次循環(huán)庫侖效率極低、充放電平臺過高、電位滯后嚴重以及循環(huán)穩(wěn)定性較差的缺點，這些問題其實都是高比表面無序碳材料的基本電化學特征。

 

石墨烯的振實和壓實密度都非常低，成本極其昂貴，根本不存在取代石墨類材料直接用作鋰離子電池負極的可能性。既然單獨使用石墨烯作為負極不可行，那么石墨烯復合負極材料呢？

 

石墨烯與其它新型負極材料，比如硅基和錫基材料以及過渡金屬化合物形成復合材料，是當前“納米鋰電”最熱門的研究領域，在過去數(shù)年發(fā)表了上千篇paper。復合的原理，一方面是利用石墨烯片層柔韌性來緩沖這些高容量電極材料在循環(huán)過程中的體積膨脹，另一方面石墨烯優(yōu)異的導電性能可以改善材料顆粒間的電接觸降低極化，這些因素都可以改善復合材料的電化學性能。

 

但是，并不是說僅僅只有石墨烯才能達到改善效果，綜合運用常規(guī)的碳材料復合技術和工藝，同樣能夠取得類似甚至更好的電化學性能。比如Si/C復合負極材料，相比于普通的干法復合工藝，復合石墨烯并沒有明顯改善材料的電化學性能，反而由于石墨烯的分散性以及相容性問題而增加了工藝的復雜性而影響到批次穩(wěn)定性。

 

如果綜合考量材料成本、生產(chǎn)工藝、加工性和電化學性能，石墨烯或者石墨烯復合材料實際用于鋰電負極的可能性很小產(chǎn)業(yè)化前景渺茫。

 

作為正極：

 

主要是用作導電劑添加到磷酸鐵鋰正極中，改善倍率和低溫性能；也有添加到磷酸錳鋰和磷酸釩鋰提高循環(huán)性能的研究。

 

用作導電劑無明顯優(yōu)勢

 

我們再來說說石墨烯用于導電劑的可能性，現(xiàn)在鋰電常用的導電劑有導電炭黑、乙炔黑、科琴黑，SuperP等，現(xiàn)在也有電池廠家在動力電池上開始使用碳纖維(VGCF)和碳納米管(CNT)作為導電劑。

 

石墨烯用作導電劑的原理是其二維高比表面積的特殊結構所帶來的優(yōu)異的電子傳輸能力。從目前積累的測試數(shù)據(jù)來看，VGCF、CNT以及石墨烯在倍率性能方面都比SuperP都有一定提高，但這三者之間在電化學性能提升程度上的差異很小，石墨烯并未顯示出明顯的優(yōu)勢。

 

那么，添加石墨烯有可能讓電極材料性能爆發(fā)嗎？答案是否定的。以iPhone手機電池為例，其電池容量的提升主要是由于LCO工作電壓提升的結果，將上限充電電壓從4.2V提升到目前i-Phone6上的4.35V，使得LCO的容量從145mAh/g逐步提高到160-170mAh/g(高壓LCO必須經(jīng)過體相摻雜和表面包覆等改性措施)，這些提高都跟石墨烯無關。

 

也就是說，如果你用了截止電壓4.35V容量170mAh/g的高壓鈷酸鋰，你加多少石墨烯都不可能把鈷酸鋰的容量提高到180mAh/g，更別說動不動就提高幾倍容量的所謂“石墨烯電池”了。添加石墨烯有可能提高電池循環(huán)壽命嗎？這也是不可能的。石墨烯的比表面積比CNT更大，添加在負極只能形成更多的SEI而消耗鋰離子，所以CNT和石墨烯一般只能添加在正極用來改善倍率和低溫性能。

 

但是，石墨烯表面豐富的官能團就是石墨烯表面的小傷口，添加過多不僅會降低電池能量密度，而且會增加電解液吸液量，另外一方面還會增加與電解液的副反應而影響循環(huán)性，甚至有可能帶來安全性問題。那么成本方面呢？目前石墨烯的生產(chǎn)成本極其昂貴，而市場上所謂的廉價“石墨烯”產(chǎn)品基本上都是氧化石墨烯。

 

即便是氧化石墨烯成本也高于CNT，而CNT的成本又比VGCF高。而且在分散性和加工性方面，VGCF比CNT和石墨烯更容易操作，這正是為什么昭和電工的VGCF正逐漸打入動力電池市場的主要原因。可見石墨烯在用作導電添加劑方面，目前跟CNT和VGCF在性價比方面并沒有優(yōu)勢可言。

 

石墨烯的真正應用前景在哪？

 

未來石墨烯在鋰離子電池上的應用前景微乎其微的。相比于鋰離子電池，石墨烯在超級電容器尤其是微型超級電容器方面的應用前景似乎稍微靠譜一點點，但是我們?nèi)匀灰獙σ恍W術界的炒作保持警惕。

 

其實，看了很多這些所謂的“學術突破”，你會發(fā)現(xiàn)很多教授在其paper里有意無意地混淆了一些基本概念。目前商品化的活性炭超級電容器能量密度一般在7-8Wh/kg，這是指的是包含所有部件的整個超級電容器的器件能量密度。而教授們提到的突破一般是指材料的能量密度，所以實際中的石墨烯超電源沒有論文中提到的那么好。