2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)在实验室里独创地使用胶带粘揭法，成功分离出自由状态的石墨烯，两人也因此共同荣获2010年的诺贝尔物理学奖。至此石墨烯走出了化学家的理论，任何与石墨烯有关的研究成果都受到了人们极大的关注，蓬勃发展的动力电池也将下一次革命的希望寄予了石墨烯。

 

石墨烯是个什么东西

 

石墨烯的命名来自英文的graphite（石墨）+-ene（烯类结尾），是一种碳纳米二维材料，原子以sp2杂化轨道方式构成，平面像六角的蜂巢结构，质地牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知的任何导体都快，而全材料仅一个碳原子厚度（0.335nm），是全世界最薄的材料。

 

 

在石墨烯被发现之前，物理学家在理论上预言，准二维晶体本身热力学性质不稳定，在室温环境下会迅速分解或者蜷曲，所以其不能单独存在。直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，证实了它可以单独存在。

 

石墨烯有哪些性质让人们对他寄予如此高的厚望

 

力学性质：已知机械强度最高的材料

石墨烯是人类已知机械强度最高的材料，它的杨氏模量高达1TPA，比钢铁还高200倍。

热学性质：导热性能天下第一      

石墨烯的导热性能优于碳纳米管。普通碳纳米管的导热系数可达3500W/mK，石墨烯理论值高达6000W/mK，是目前导热率最高的天然材料金刚石的2.5倍。

光学性质：几乎透明      

因为独特的能带结构和零带隙特征，石墨烯有两个惊奇的光学性质，石墨单层对可见光仅2.3%的吸收率，透明度为97.7%。

电子性质与传输性质：现有电阻率最低的材料      

电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量。与大多数常见物质不同，它的半导体间隙为零，在石墨烯中的大π键的共轭体系中，电子移动与金属和半导体完全不同，遵循狄拉克方程，因此可以费米速率高速移动。在实验室电子传输测量结果中，石墨烯的电子迁移率高于15000cm2/(v s)，不受温度影响。是现有物质中电阻率最低的材料。

 

 

所有的特性都在告诉人们，石墨烯是一种神奇的材料，然而很关键的一点是：国际上对石墨烯（Graphene）的定义是1-2层的纳米片（nanosheet）才能称之为是石墨烯，并且只有没有任何缺陷的石墨烯才具备这些完美特性。通常超过10层的纳米片，单层石墨烯的那些特性就没有了，和石墨差不多。

 

石墨烯在动力电池上有哪些应用

 

根据美国Graphene-info这个权威的石墨烯网站的介绍，“石墨烯电池”的定义是在电极材料中添加了石墨烯材料的电池。石墨烯在动力电池中的应用主要在正极、负极及导电添加剂三个方面。

负极：石墨烯单独用于负极材料；与其它新型负极材料，比如硅基和锡基材料以及过渡金属化合物形成复合材料。石墨负极理论容量为360mAh/g，理论上石墨烯做负极最多是石墨负极两倍的容量（720mAh/g），首次效率较低，性能受表面状态影响极大，然而硅的理论容量近石墨的10倍。

正极：主要是用作导电剂添加到磷酸铁锂正极中，改善倍率和低温性能。也有添加到磷酸锰锂和磷酸钒锂提高循环性能的尝试。

导电添加剂：石墨烯是可以做导电剂促进快速充放电，理论上可以提高倍率性能，前提条件是分散工艺精良混合均匀。

 

石墨烯应用于动力电池存在的障碍

 

石墨烯单独用做锂电负极材料的可能性很低

纯石墨烯的充放电曲线跟高比表面积硬碳和活性炭材料非常相似，都具有首次循环库仑效率极低、充放电平台过高、电位滞后严重以及循环稳定性较差的缺点。同时，石墨烯的振实和压实密度都非常低，目前成本极高，从负极对材料特性的要求以及材料成本上考虑，目前石墨烯尚不存在取代石墨类材料直接用作锂离子电池负极的机会。石墨烯与其它新型负极材料，比如硅基和锡基材料以及过渡金属化合物形成复合材料，是当前“纳米锂电”最热门的研究领域。复合的原理，一方面是利用石墨烯片层柔韧性来缓冲这些高容量电极材料在循环过程中的体积膨胀，另一方面石墨烯优异的导电性能可以改善材料颗粒间的电接触降低极化，这些因素都可以改善复合材料的电化学性能。但是，并不是说仅有石墨烯才能达到改善效果，实践经验表明，综合运用常规的碳材料复合技术和工艺，同样能够取得类似甚至更好的电化学性能。比如Si/C复合负极材料，相比于普通的干法复合工艺，复合石墨烯并没有明显改善材料的电化学性能，反而由于石墨烯的分散性以及相容性问题而增加了工艺的复杂性而影响到批次稳定性。如果综合考量材料成本、生产工艺、加工性和电化学性能，石墨烯复合材料应用于锂电负极的可能性目前看来前景渺茫。

石墨烯用于导电剂没有明显优势

石墨烯用于导电剂的可能性，现在锂电常用的导电剂有导电炭黑、乙炔黑、科琴黑等。现在也有电池厂家在动力电池上开始使用碳纤维（VGCF）和碳纳米管（CNT）作为导电剂。石墨烯用作导电剂的原理是其二维高比表面积的特殊结构所带来的优异的电子传输能力。从积累的测试数据来看，碳纤维、碳纳米管以及石墨烯在倍率性能方面都比导电炭黑都有一定提高，但这三者之间在电化学性能提升程度上的差异很小，石墨烯并未显示出明显的优势。

 

添加石墨烯的电极材料对电池性能的提高有限

石墨烯的比表面积比碳纳米管更大，添加在负极只能消耗更多的锂离子，所以碳纳米管和石墨烯一般只能添加在正极用来改善倍率和低温性能。但是，石墨烯表面丰富的官能团就是石墨烯表面的小伤口，添加过多不仅会降低电池能量密度，而且会增加电解液吸液量，另外一方面还会增加与电解液的副反应而影响循环性能，甚至有可能带来安全性问题。

 

石墨烯成本极其昂贵

目前石墨烯的生产成本极其昂贵，而市场上所谓的廉价“石墨烯”产品基本上都是氧化石墨烯。即便是氧化石墨烯成本也高于碳纳米管，而碳纳米管的成本又比碳纤维高。传统导电炭黑和石墨都是论吨卖的（一吨几万元），论克卖的石墨烯即使按照大家的期望降低到3元/克，换算成吨也要300万元/吨。现在锂电池用的各种材料，都是一吨几万十万左右的东西，而且承受着社会各界要求降价的压力，用石墨烯替代仍然有很长的路要走。而且在分散性和加工性方面，碳纤维比碳纳米管和石墨烯更容易操作，这正是为什么昭和电工的碳纤维正逐渐打入动力电池市场的主要原因。可见石墨烯在用作导电添加剂方面，目前跟碳纳米管和碳纤维在性价比方面并没有优势可言。

 

动力电池的革命更需要的是匠人精神

 

石墨烯经过几年的发展，技术有了一定的进步，但是从目前的情况看，石墨烯材料想应用到电池中，问题重重，困难不小。一种材料肯定有其最适合发挥作用的领域，一味地指望它可以解决所有技术问题的想法既不科学，也不现实。动力电池技术的革命既需要电池材料工业的创新性成果，也需要电池原理的突破性进展，更需要的是电池工业的匠人精神。

 

免责声明：本文来自超天才网客户端，不代表超天才网的观点和立场。文章及图片来源网络，版权归作者所有，如有投诉请联系删除。