“石墨烯電池”疑炒作真相究竟如何

石墨烯技術在電池上的大規模商用還需要一個推廣過程。圖片來源：百度圖片

　　最近，關于石墨烯電池的各種消息沸沸揚揚。

　　2015年12月中旬，中科院上海硅酸鹽所的研究團隊在《科學》上發文指出，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儲能特性，可用作電動車的‘超強電池’，這種電池的最大亮點就是充電7分鐘，行駛35公里。”

　　12月底，華為終端公司手機產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。

　　但是，這些新聞隨后又被“打臉”。有人認為，所謂石墨烯電池商用不過是炒作。也有人認為，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

　　據媒體報道，之前在日本舉辦的一次研討會上，華為已經演示了“這種使用納米、石墨烯的相關技術，可以讓3000毫安時電池在5分鐘之內充滿50%電量。這種技術可能在明年下半年商用。”

　　《中國科學報》記者就該消息與華為公司取得了聯系，對方表示：“內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合作研究石墨烯的應用，共同開發ICT領域的下一代高性能技術。該項目合作期初定為兩年，研究如何將石墨烯領域的突破性成果應用于消費電子產品和移動通信設備。

　　記者注意到，2015年6月，韓國財經雜志Business Korea網絡版刊文稱，三星研究團隊已經開發了一項技術，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站給出的消息是：“中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強帶領的研究團隊與北京大學、美國賓夕法尼亞大學的科研人員合作，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果表明，該類材料的能量密度還可以通過拓展電化學窗口進一步提高，獲得更高能量密度的超級電容器。”

　　第一電動網有作者撰文認為，《科學》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（也稱電化學電容器）確實并非電池，而是介于二次電池和傳統電容器之間的一種電化學儲能裝置，在上海硅酸鹽所發布的新聞中，也從未給出“這是電池”的結論，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。

　　《中國科學報》記者聯系到黃富強，他回復：“宏觀上這種材料是三維結構，碳的sp2程度高達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構，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論，然而實質是同一個。”

　　介孔石墨烯是石墨烯廣義家族中的一種新結構，具有優異的三維微觀導電性能，經氮摻雜后具有優異的電化學儲能特性。

　　石墨烯電池疑炒作

　　記者在采訪復旦大學高分子科學系教授盧紅斌、哈爾濱工業大學化工學院應用化學系教授袁國輝等人時發現，他們都不同意一些商家和媒體將石墨烯材料應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，類似于之前在商業上將納米顆粒添加到塑料中后制成的洗衣機稱為‘納米洗衣機’，顯然帶有炒作意味。”盧紅斌說。

　　傳統電池的命名一般是遵循“正極—負極活性材料”的規則。袁國輝指出：“鋰離子電池充放電時，成流反應是鋰離子在正、負極材料中的嵌入和脫出的貢獻。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電性，盡管可以提高電池的性能，卻不是鋰離子電池正負極的活性材料。”

　　因此，他們認為，應該稱之為“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、循環穩定性、使用壽命、甚至能量密度的高性能電池，最好有明確的技術參數作為參考。如果僅通過采用石墨烯名稱來提升產品的知名度或關注度，以此提高銷量，可能會產生誤導。”盧紅斌指出。

　　雖然“石墨烯電池”這一稱呼頗有些“自擺烏龍”，但是業內專家卻看好石墨烯材料在電池上的應用，尤其是在電極上發揮所長。

　　目前，業內采用的富鋰正極材料通常導電性不佳，對電極而言極為不利。為提高正極電導率，通常會在正極顆粒表面沉積導電層，如包碳處理，并通過添加導電添加劑來改善正極電導率。電極導電性對于電池的充電速度、循環穩定性和使用壽命都有著決定性的影響，不佳的導電性還會增大電池發熱量，加速電池性能惡化。

　　因此，有相當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構，電荷在其中可以快速遷移。也正因如此，石墨烯也為發展其他新型電極材料提供了可能。

　　短期商用現實嗎

　　涉及到石墨烯與電池被“聯姻”并商用，大家最關注的是技術、成本等問題是否已經解決。

　　在2015北京測試服務業發展高峰論壇間隙，一位從事新材料檢驗檢測的人士告訴《中國科學報》記者，目前國際、國內都沒有具體關于“石墨烯電池”的參數標準，而且他所了解到的信息是前期研發成本投入巨大，僅用在手機電池等產品上的“性價比”待評估。

　　盧紅斌也提到了“性價比”的問題。他認為，石墨烯改進的電池包括鋰離子電池短期內商業化應用的可能性還是很大，關鍵在于提高性價比。現有的電池技術亟待解決充電速度、續航里程、穩定性和循環壽命等問題，石墨烯的獨特性能可望提供新的解決方案和路徑。

　　袁國輝則質疑，石墨烯技術應用在消費類電子產品用鋰離子電池上“意義不大”，因為它在提升小型消費類電子產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在動力型鋰離子電池上的應用，比如新能源車，能夠帶來顯著的變化。

　　記者了解到，石墨烯技術在電池上進行商用還有兩大關鍵技術突破點：一是優化石墨烯結構以及石墨烯使用方法，使得現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儲能設備性能的倍增。

　　石墨烯技術在電池上的大規模商用還需要一個推廣過程。一些電池制造企業還需要對石墨烯技術進行驗證，一旦接受后對現有產品線的改造也需要時間。但是，袁國輝指出：“2016年應該是石墨烯技術應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與某公司合作研究的石墨烯電池可望實現8分鐘充電，行駛1000公里。聽到此消息后，石墨烯產業聯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構進行了核實，但發現此信息主要是基于實驗室結果推算得出，該項技術是否具備宣稱的性能現在尚未得到實踐證實。

　　“僅根據實驗室中的某些結果進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、利用穩定性、循環壽命等一系列問題。”盧紅斌強調，“但石墨烯的快速規模化必然會加快包括鋰離子電池在內的儲能設備技術發展的步伐。”