“天天喊石墨烯电池 其实都叫错了”

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与石墨相比，不具有层状结构的石墨烯作为锂电负极的产业化前景不容乐观。 从目前技术的快速发展阶段来看，石墨烯电池还没有出现。

前几天，一家知名制造商在法国官方推特上预告，这将成为第一个搭载石墨烯电池的手机企业品牌，指出其充电速度比以前的机型快、耐用、体积小。 不久这个消息就被删除了，但关于石墨烯及其对电池的作用再次引起了关注。 那么，现在有石墨烯电池吗？ 石墨烯遇到电池的时候，还会给我们带来惊喜吗？

石墨烯+锂电池石墨烯电池

锂电池由正极、负极、隔膜、电解液四种材料组成，已知目前主要使用的负极材料是石墨。 石墨烯是从石墨上剥离的、由碳原子组成的原子厚度( 0.35纳米)的二维晶体，各性能优于石墨，具有极强的导电性、超高强度、高韧性、高导热性能等，被誉为新材料之王。 希望代替石墨作为电池负极，或用于锂电池的其他重要材料，大幅提高锂电池的能量密度和电力密度。

现在，很多人把含有石墨烯材料的电池称为石墨烯电池。 其实，把这些电池叫做石墨烯电池是不科学和不严谨的。 另外，这个概念也不符合领域命名的大体上、非领域共识。 天津大学化工学院教授杨全红在接受科技日报记者采访时指出，石墨烯因其独特的物理化学性质，在锂电池中显示出巨大的应用潜力。 但是，作为一种碳纳米材料，石墨烯并未超出锂电池常用碳材料的作用范畴。 目前，科技论文、公司产品等石墨烯提高锂电池性能屡见不鲜，但其核心储能机制并未因石墨烯的添加而发生变化。 因为把添加了石墨烯的锂电池称为石墨烯电池是不合适的。

此外，从专业角度出发，电池虽然以重要材料命名，但通常遵循正极负极活性物质的规律，锂电池的充放电是通过锂离子向正、负极材料的嵌入和脱出来实现的。 因此，如果命名为石墨烯电池，石墨烯应该是第一电极材料，但现在的石墨烯类似添加剂，提高电极的导电性和热传导/散热特性不是电池正负极的活性物质。 这是因为不能将这样的电池命名为石墨烯电池，所以称为石墨烯系锂电池更为准确。

从目前技术的快速发展阶段来看，石墨烯电池还没有出现。 石墨具有层状结构，该结构为锂离子嵌入设置了闸门，是锂电池具有充放电平台和高库仑效率的决定因素，也成为锂电池的重要材料之一。 杨全红认为，相比之下，无层状结构石墨烯作为锂电负极的产业化前景不容乐观，纯石墨烯的充放电曲线与硬碳和活性炭材料非常相似，首次循环库仑效率低，没有充放电平台，循环稳定性好 这是因为，现在的纯石墨烯没有可能代替石墨类材料直接作为锂电池的负极使用。 但是，石墨烯类复合材料作为高性能电极材料有可能推动锂电池产业的迅速发展。

添加剂提高电池性能

5g时代到来，人们强烈要求快速充放电、热传导快、能量密度高等性能。 不可否认，添加剂石墨烯能明显提高锂电池的性能，部分处理目前产业的瓶颈。 杨全红表示。

据介绍，碳导电剂是锂电池中不可缺少的，但大量惰性、轻成分的碳导电剂会降低电池的体积能量密度(单位体积储存的能量)，成为锂电池快速发展的重要瓶颈。 杨全红认为，石墨烯作为锂电池的导电剂使用，可以大幅提高碳导电剂单位碳原子的导电效率，通过将炭黑等传统导电添加剂的点接触模式改变为面点接触模式，构筑了柔软紧密的导电网络， 他表示，可以大幅降低无助于容量的碳导电剂使用量，处理碳导电剂使用量与高能量诉求之间的矛盾，从而明显提高电池的体积能量密度和充放电性能。

另外，由于石墨烯具有良好的热传导性，目前主流的手机制造商都采用石墨烯作为散热材料。 作为热优异的导体，石墨烯与高活性物质可以比较有效地接触、保护，但同时可以减少电解液表面的副反应发热。 另一方面，其充放电，特别是快速充放电产生的大量热实现比较有效的热传播，降低电池工作中的热风险和热失控，使电池系统整体的热循环更稳定。

迅速发展的电动汽车和3c电子等移动智能终端的应用要求二次电池具有尽可能小的体积和尽可能高的体积能量密度。 纳米技术可以大幅提高二次电池的质量能密度和充放电速度，但体积能密度通过纳米化技术不大可能提高。 杨全红表示，纳米材料致密化是电极材料，是具有高质量和体积性能的必由之路。 石墨烯是碳材料的基本结构单元，最近的研究表明，基于胶体化学的石墨烯致密化技术可以实现多孔碳纳米材料的致密化，如将膨化食品转化为压缩饼干。 该技术在锂电池中最直接的应用是实现高性能的硅碳电极致密化，大幅增加单位体积的锂电池容量，为消除电动汽车行驶距离焦虑和3c电子等智能终端电池小型化提供处理方案。 这可能是未来石墨烯在提高锂电池性能方面的重要应用。

有可能取代锂电池的技术

今天的移动世界离不开锂电池了。 美国阿贡国家实验室能源存储联合研究中心的负责人乔治·克拉托夫曾说:“这是有史以来最高的电池技术。” 但是，许多研究者认为锂电池的能量密度已经接近天花板。

那么，将来会有替代锂电池的技术吗？

《科学美国人》杂志称，全球科研人员正在探索不同的技术路线，如锂硫电池、镁电池、空气体电池、液流电池等。

年，美国化学工程师埃尔顿·凯恩斯根据锂硫技术研制出只有硬币大小的新型化学电池，在美国劳伦斯·伯克利国家实验室经历1500次充放电循环后，电池容量只损失了一半。 据介绍，由于采用金属锂负极，理论上锂硫电池的能量密度将是锂电池的5倍以上。 制造电池的polyplus企业在实践中发现，硫的增加和电解液的减少更容易损坏电池。 但是，英国oxis能源企业看到了锂硫电池的前景，正在努力开发高能量密度且可应用于电动汽车的锂硫电池。

一位研究者认为新一代电池比锂更应该采用镁等较重的元素。 与一价锂离子相比，二价镁离子可以携带两个电荷，意味着可以释放的电能增加了两倍。 但是，带两个电荷的镁离子移动速度慢，很难通过电解液和电极，就像在粘稠的糖浆里跑一样。

劳伦斯·伯克利国家实验室材料科学家克里斯汀·佩尔森和麻省理工学院材料科学家赫布兰德·塞德创立了pellion技术企业开发了大容量镁电池。 当年年底公布的许多专利表明，为了促进镁离子的快速运输，正在开发更加开放的电极结构。 大型电子产品企业包括丰田、lg、三星、日立等，正在开发同样的镁电池。 (记者华凌)