走近神奇的石墨烯

李文慧

最近欧阳明高“打脸”广汽埃安的新闻传得沸沸扬扬，不少业内人士分析认为，石墨烯电池技术还没有发展到能够商业应用的程度，属于“注水”重灾区，广汽埃安宣称的“石墨烯电池”是将石墨烯作為辅助材料，不是完全的石墨烯电池。

随后广汽集团发布公告解释称，石墨烯基超级快充电池与长续航硅负极电池是两种不同的技术，分别解决“充电速度慢”、“续航里程短”这两个动力电池应用中的不同痛点。目前公司石墨烯基超级快充电池已按计划进入实车测试阶段，预计于本年内首次搭载在现有AION V车型上。同时，公告中也强调“该技术的普及有赖于国家超级快充相关标准的发布和高功率超充设备的建设进展，市场需求具有不确定性”。

广汽的公告，可以简单地理解为，该集团具备制备石墨烯基超级快充电池的能力，但能否应用于市场，还要看国家充电标准和实际基建情况。

由于广汽的一番“宣传”，石墨烯电池顺利得成为人们关注的热点话题，石墨烯到底是何方神圣，它又是如何运用到电池中的呢？

强大的“二维碳材料”

将铅笔在纸上画上一笔，纸上留下的就是石墨的痕迹，如果将石墨逐层剥离，最后会得到一个二维的单层石墨，它就是石墨烯，也被称作“二维碳材料”。

石墨烯是由碳原子以六角结构（蜂窝状）紧密排列而成，石墨烯的厚度只有0.335nm，比纸还要薄100万倍，把20万片石墨烯叠加到一起，也只有一根头发丝的厚度，但是它的强度却比钻石还要坚韧，同时，作为单质，它在室温下传递电子的速度要超过任何一种已知的导体。

资料显示，石墨烯中的各个碳原子之间的连接十分柔韧，当对其施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了该材料结构的稳定性。同时，这种稳定的晶格结构也使石墨烯具有优秀的导电性，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温环境下，即使周围的碳原子互相发生了挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也会非常小。

作为单质，石墨烯最大的特性，是它在室温下传递电子的速度比已知的任何导体都快，其中电子的运动速度可以达到光速的1/300，大大超过了电子在一般导体中的运动速度。另外，它也是目前已知材料中电子传导速率最快的材料。同时，科学家们还发现单层的石墨烯具有很大的比表面积，可达到2600m/g。

石墨烯因为其优质的导电性、稳定性、延展性，受到科研工作者的追捧，但又由于其纯粹的二维晶体材料特性，被认为无法稳定存在而仅处于理论研究状态。直到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Andre Geim通过一种看起来十分简单的方法——胶带分离法，将胶带纸不断分离石墨薄片，制备出了石墨烯，并于2010年和他的学生Kostya Novoselov一起，凭借着在石墨烯方面的创新研究而获得了诺贝尔物理学奖。直到现在，Geim还被戏称为用铅笔和胶获得诺贝尔物理学奖的科学家。

实验室的石墨烯电池

石墨烯这种强大的“二维碳材料”，随着2010年诺贝尔奖的热度，而获得了更多科研工作者和企业人士的青睐。

研究资料显示，目前，石墨烯的研究已经取得了重要的进展，在化学电源、光电子器件和多相催化等领域都得到了广泛的关注。

在储能领域，石墨烯具有极高的比表面积，这使得石墨烯基复合电极有着很好的电解液相容性;石墨烯的电导率远超其他碳材料，以石墨烯为导电结构的复合电极材料可以发挥优异的倍率性能;石墨烯衍生物上含有的大量官能团与缺陷位可以作为多种金属及金属氧化物纳米粒子的生长位点。这种由石墨烯矩阵组成的复合结构可以有效的抑制纳米电极材料在充放电过程中的团聚现象及电极巨大的体积变化，从而增强电极材料的容量保持率与循环稳定性。

然而尽管石墨烯的研究已经有了不少进展，但在现实中，现阶段工艺的不成熟以及较高的成本限制了石墨烯大规模的应用，因此，如何大量、低成本制备出高质量的石墨烯材料，仍然是未来研究的一个重点。

据悉，目前，石墨烯主要还是应用在锂离子电池的复合电极材料、负极活性材料、导电添加剂中。有业内人士表示，真正以石墨烯为主体材料的动力电池，目前尚无法在实验室中完全实现，尚未达到量产条件，商业化非常困难。

然而，对于石墨烯的应用，依旧前景光明，正如哈佛大学教授Bob Westerveh评论所言，“石墨烯是一种令人兴奋的新材料，具有非同寻常的属性，未来会十分有趣”。