走近神奇的石墨烯

李文慧

最近歐陽明高“打臉”廣汽埃安的新聞傳得沸沸揚揚，不少業內人士分析認為，石墨烯電池技術還沒有發展到能夠商業應用的程度，屬于“注水”重災區，廣汽埃安宣稱的“石墨烯電池”是將石墨烯作為輔助材料，不是完全的石墨烯電池。

隨后廣汽集團發布公告解釋稱，石墨烯基超級快充電池與長續航硅負極電池是兩種不同的技術，分別解決“充電速度慢”、“續航里程短”這兩個動力電池應用中的不同痛點。目前公司石墨烯基超級快充電池已按計劃進入實車測試階段，預計于本年內首次搭載在現有AION V車型上。同時，公告中也強調“該技術的普及有賴于國家超級快充相關標準的發布和高功率超充設備的建設進展，市場需求具有不確定性”。

廣汽的公告，可以簡單地理解為，該集團具備制備石墨烯基超級快充電池的能力，但能否應用于市場，還要看國家充電標準和實際基建情況。

由于廣汽的一番“宣傳”，石墨烯電池順利得成為人們關注的熱點話題，石墨烯到底是何方神圣，它又是如何運用到電池中的呢？

強大的“二維碳材料”

將鉛筆在紙上畫上一筆，紙上留下的就是石墨的痕跡，如果將石墨逐層剝離，最后會得到一個二維的單層石墨，它就是石墨烯，也被稱作“二維碳材料”。

石墨烯是由碳原子以六角結構（蜂窩狀）緊密排列而成，石墨烯的厚度只有0.335nm，比紙還要薄100萬倍，把20萬片石墨烯疊加到一起，也只有一根頭發絲的厚度，但是它的強度卻比鉆石還要堅韌，同時，作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度要超過任何一種已知的導體。

資料顯示，石墨烯中的各個碳原子之間的連接十分柔韌，當對其施加外部機械力時，碳原子面就會彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了該材料結構的穩定性。同時，這種穩定的晶格結構也使石墨烯具有優秀的導電性，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫環境下，即使周圍的碳原子互相發生了擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也會非常小。

作為單質，石墨烯最大的特性，是它在室溫下傳遞電子的速度比已知的任何導體都快，其中電子的運動速度可以達到光速的1/300，大大超過了電子在一般導體中的運動速度。另外，它也是目前已知材料中電子傳導速率最快的材料。同時，科學家們還發現單層的石墨烯具有很大的比表面積，可達到2600m/g。

石墨烯因為其優質的導電性、穩定性、延展性，受到科研工作者的追捧，但又由于其純粹的二維晶體材料特性，被認為無法穩定存在而僅處于理論研究狀態。直到2004年，英國曼徹斯特大學的物理學教授Andre Geim通過一種看起來十分簡單的方法——膠帶分離法，將膠帶紙不斷分離石墨薄片，制備出了石墨烯，并于2010年和他的學生Kostya Novoselov一起，憑借著在石墨烯方面的創新研究而獲得了諾貝爾物理學獎。直到現在，Geim還被戲稱為用鉛筆和膠獲得諾貝爾物理學獎的科學家。

實驗室的石墨烯電池

石墨烯這種強大的“二維碳材料”，隨著2010年諾貝爾獎的熱度，而獲得了更多科研工作者和企業人士的青睞。

研究資料顯示，目前，石墨烯的研究已經取得了重要的進展，在化學電源、光電子器件和多相催化等領域都得到了廣泛的關注。

在儲能領域，石墨烯具有極高的比表面積，這使得石墨烯基復合電極有著很好的電解液相容性;石墨烯的電導率遠超其他碳材料，以石墨烯為導電結構的復合電極材料可以發揮優異的倍率性能;石墨烯衍生物上含有的大量官能團與缺陷位可以作為多種金屬及金屬氧化物納米粒子的生長位點。這種由石墨烯矩陣組成的復合結構可以有效的抑制納米電極材料在充放電過程中的團聚現象及電極巨大的體積變化，從而增強電極材料的容量保持率與循環穩定性。

然而盡管石墨烯的研究已經有了不少進展，但在現實中，現階段工藝的不成熟以及較高的成本限制了石墨烯大規模的應用，因此，如何大量、低成本制備出高質量的石墨烯材料，仍然是未來研究的一個重點。

據悉，目前，石墨烯主要還是應用在鋰離子電池的復合電極材料、負極活性材料、導電添加劑中。有業內人士表示，真正以石墨烯為主體材料的動力電池，目前尚無法在實驗室中完全實現，尚未達到量產條件，商業化非常困難。

然而，對于石墨烯的應用，依舊前景光明，正如哈佛大學教授Bob Westerveh評論所言，“石墨烯是一種令人興奮的新材料，具有非同尋常的屬性，未來會十分有趣”。