超硬材料網(wǎng)

　　最近，關(guān)于石墨烯電池的各種消息沸沸揚(yáng)揚(yáng)。
　　2015年12月中旬，中科院上海硅酸鹽所的研究團(tuán)隊在《科學(xué)》上發(fā)文指出，其研制出一種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯。一些媒體盛贊：“該材料具有極佳的電化學(xué)儲能特性，可用作電動車的‘超強(qiáng)電池’，這種電池的最大亮點(diǎn)就是充電7分鐘，行駛35公里。”
　　12月底，華為終端公司手機(jī)產(chǎn)品線副總裁李昌竹又在2015年移動智能終端峰會上透露，華為可能在2016年下半年商用石墨烯電池技術(shù)。
　　但是，這些新聞隨后又被“打臉”。有人認(rèn)為，所謂石墨烯電池商用不過是炒作。也有人認(rèn)為，一些媒體誤讀了中科院上海硅酸鹽所的成果——它根本不是電池，也沒有含有石墨烯材料。

　　真相究竟如何？
　　他們都沒說——這是石墨烯電池
　　據(jù)媒體報道，之前在日本舉辦的一次研討會上，華為已經(jīng)演示了“這種使用納米、石墨烯的相關(guān)技術(shù)，可以讓3000毫安時電池在5分鐘之內(nèi)充滿50%電量。這種技術(shù)可能在明年下半年商用。”
　　《中國科學(xué)報》記者就該消息與華為公司取得了聯(lián)系，對方表示：“內(nèi)部尚無法提供更多的信息”。他提供的唯一公開消息是：2015年10月23日，華為宣布與曼徹斯特大學(xué)合作研究石墨烯的應(yīng)用，共同開發(fā)ICT領(lǐng)域的下一代高性能技術(shù)。該項目合作期初定為兩年，研究如何將石墨烯領(lǐng)域的突破性成果應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品和移動通信設(shè)備。
　　記者注意到，2015年6月，韓國財經(jīng)雜志Business Korea網(wǎng)絡(luò)版刊文稱，三星研究團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)了一項技術(shù)，通過在電池的硅表面覆蓋石墨烯制作一種新的“硅陰極材料”，把電池的能量密度提高到現(xiàn)有電池的2倍。
　　不過，在上述兩則新聞中，并沒有人直接稱呼他們的研究成果為“石墨烯電池”。
　　而上海硅酸鹽所的官方網(wǎng)站給出的消息是：“中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強(qiáng)帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊與北京大學(xué)、美國賓夕法尼亞大學(xué)的科研人員合作，合成了一種有序介孔少層碳的新型材料。”
　　上海硅酸鹽所稱：“他們獲得的最新研究結(jié)果表明，該類材料的能量密度還可以通過拓展電化學(xué)窗口進(jìn)一步提高，獲得更高能量密度的超級電容器。”
　　第一電動網(wǎng)有作者撰文認(rèn)為，《科學(xué)》雜志上的這篇論文沒有提到石墨烯，而是碳材料，且超級電容器被媒體稱為“電池”不妥。
　　事實上，超級電容器（也稱電化學(xué)電容器）確實并非電池，而是介于二次電池和傳統(tǒng)電容器之間的一種電化學(xué)儲能裝置，在上海硅酸鹽所發(fā)布的新聞中，也從未給出“這是電池”的結(jié)論，更不用提“這種電池的最佳效果就是充電7分鐘，行駛35公里”。但是，該材料確是石墨烯材料無疑。
　　《中國科學(xué)報》記者聯(lián)系到黃富強(qiáng)，他回復(fù)：“宏觀上這種材料是三維結(jié)構(gòu)，碳的sp2程度高達(dá)98%，少于5個原子層。我們在投稿過程中一直采用‘介孔石墨烯’的名稱，最后出版時改用少層碳。原因在于，有一人提出石墨烯是二維的平面型結(jié)構(gòu)，并建議也可叫作‘高度石墨化的三維微孔少層碳材料’。大家從不同角度會得出不同的結(jié)論，然而實質(zhì)是同一個。”
　　介孔石墨烯是石墨烯廣義家族中的一種新結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的三維微觀導(dǎo)電性能，經(jīng)氮摻雜后具有優(yōu)異的電化學(xué)儲能特性。

　　石墨烯電池疑炒作
　　記者在采訪復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授盧紅斌、哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系教授袁國輝等人時發(fā)現(xiàn)，他們都不同意一些商家和媒體將石墨烯材料應(yīng)用在電池中就將其稱為“石墨烯電池”。
　　“在電極材料中添加石墨烯后就將電池稱為‘石墨烯電池’顯然不妥，類似于之前在商業(yè)上將納米顆粒添加到塑料中后制成的洗衣機(jī)稱為‘納米洗衣機(jī)’，顯然帶有炒作意味。”盧紅斌說。
　　傳統(tǒng)電池的命名一般是遵循“正極—負(fù)極活性材料”的規(guī)則。袁國輝指出：“鋰離子電池充放電時，成流反應(yīng)是鋰離子在正、負(fù)極材料中的嵌入和脫出的貢獻(xiàn)。電極中添加石墨烯材料時，石墨烯的主要作用是提高電極的導(dǎo)電性，盡管可以提高電池的性能，卻不是鋰離子電池正負(fù)極的活性材料。”
　　因此，他們認(rèn)為，應(yīng)該稱之為“鋰離子電池”，或最多稱之為“石墨烯改性的鋰離子電池”。
　　“‘石墨烯電池’應(yīng)該是通過添加石墨烯能夠顯著改善鋰電池的充電速度、循環(huán)穩(wěn)定性、使用壽命、甚至能量密度的高性能電池，最好有明確的技術(shù)參數(shù)作為參考。如果僅通過采用石墨烯名稱來提升產(chǎn)品的知名度或關(guān)注度，以此提高銷量，可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。”盧紅斌指出。
　　雖然“石墨烯電池”這一稱呼頗有些“自擺烏龍”，但是業(yè)內(nèi)專家卻看好石墨烯材料在電池上的應(yīng)用，尤其是在電極上發(fā)揮所長。
　　目前，業(yè)內(nèi)采用的富鋰正極材料通常導(dǎo)電性不佳，對電極而言極為不利。為提高正極電導(dǎo)率，通常會在正極顆粒表面沉積導(dǎo)電層，如包碳處理，并通過添加導(dǎo)電添加劑來改善正極電導(dǎo)率。電極導(dǎo)電性對于電池的充電速度、循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命都有著決定性的影響，不佳的導(dǎo)電性還會增大電池發(fā)熱量，加速電池性能惡化。
　　因此，有相當(dāng)多的工作致力于通過在正極材料中添加石墨烯來提高電極中的電荷傳輸效率和傳熱效率。石墨烯是一種具有單個碳原子厚度的二維碳膜，其中碳原子之間存在共軛結(jié)構(gòu)，電荷在其中可以快速遷移。也正因如此，石墨烯也為發(fā)展其他新型電極材料提供了可能。

　　短期商用現(xiàn)實嗎
　　涉及到石墨烯與電池被“聯(lián)姻”并商用，大家最關(guān)注的是技術(shù)、成本等問題是否已經(jīng)解決。
　　在2015北京測試服務(wù)業(yè)發(fā)展高峰論壇間隙，一位從事新材料檢驗檢測的人士告訴《中國科學(xué)報》記者，目前國際、國內(nèi)都沒有具體關(guān)于“石墨烯電池”的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而且他所了解到的信息是前期研發(fā)成本投入巨大，僅用在手機(jī)電池等產(chǎn)品上的“性價比”待評估。
　　盧紅斌也提到了“性價比”的問題。他認(rèn)為，石墨烯改進(jìn)的電池包括鋰離子電池短期內(nèi)商業(yè)化應(yīng)用的可能性還是很大，關(guān)鍵在于提高性價比。現(xiàn)有的電池技術(shù)亟待解決充電速度、續(xù)航里程、穩(wěn)定性和循環(huán)壽命等問題，石墨烯的獨(dú)特性能可望提供新的解決方案和路徑。
　　袁國輝則質(zhì)疑，石墨烯技術(shù)應(yīng)用在消費(fèi)類電子產(chǎn)品用鋰離子電池上“意義不大”，因為它在提升小型消費(fèi)類電子產(chǎn)品電池性能和容量上效果有限，而且快充模式本身會影響電池壽命。相反，他更看好石墨烯材料和技術(shù)在動力型鋰離子電池上的應(yīng)用，比如新能源車，能夠帶來顯著的變化。
　　記者了解到，石墨烯技術(shù)在電池上進(jìn)行商用還有兩大關(guān)鍵技術(shù)突破點(diǎn)：一是優(yōu)化石墨烯結(jié)構(gòu)以及石墨烯使用方法，使得現(xiàn)有鋰電池的性能獲得一定程度的改善；二是尋找新的活性材料，或者基于新的原理實現(xiàn)儲能設(shè)備性能的倍增。
　　石墨烯技術(shù)在電池上的大規(guī)模商用還需要一個推廣過程。一些電池制造企業(yè)還需要對石墨烯技術(shù)進(jìn)行驗證，一旦接受后對現(xiàn)有產(chǎn)品線的改造也需要時間。但是，袁國輝指出：“2016年應(yīng)該是石墨烯技術(shù)應(yīng)用在電池上的推廣元年。”
　　此外，此前有傳聞稱西班牙科爾瓦多大學(xué)與某公司合作研究的石墨烯電池可望實現(xiàn)8分鐘充電，行駛1000公里。聽到此消息后，石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在隨后參加歐洲舉辦的石墨烯國際大會時也專門前往該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了核實，但發(fā)現(xiàn)此信息主要是基于實驗室結(jié)果推算得出，該項技術(shù)是否具備宣稱的性能現(xiàn)在尚未得到實踐證實。
　　“僅根據(jù)實驗室中的某些結(jié)果進(jìn)而推算使用效果反映了人們心中的迫切希望，但還須驗證安全性、利用穩(wěn)定性、循環(huán)壽命等一系列問題。”盧紅斌強(qiáng)調(diào)，“但石墨烯的快速規(guī)模化必然會加快包括鋰離子電池在內(nèi)的儲能設(shè)備技術(shù)發(fā)展的步伐。”