淺談未來的潛力股石墨烯電池要走的路

在消費電子領域，電池容量和充電速度一直是一個不變的話題，很多廠商都把充電時間和電池容量作為產品噱頭。放眼全球電子設備市場，已經出了很多年的鋰電池依然是這個領域的絕對霸主。市面上幾乎所有的智能手機都內置了這種電池，甚至波音的787夢想飛機也內置了大量的鋰電池。

而鋰電池在安全性、續航能力、環境污染、充電速度等方面的巨大缺點，已經嚴重制約了各大高科技產業的發展。因此，許多企業的R&D部門都將目光投向了更先進的“石墨烯電池”(石墨烯電池)，相信這種新型電池將在未來完全取代已經問世超過26年的鋰電池。

什么是石墨烯電池？

石墨烯是一種二維材料，具有六方蜂窩狀晶格，由sp2雜化軌道的碳原子組成，只有一個碳原子的厚度。目前，石墨烯是世界上最薄最硬的納米材料。它幾乎完全透明，僅吸收2.3%的光，也是世界上電阻率最低的材料。

所謂石墨烯電池是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性開發的新能源電池。目前，作為最薄、最硬、導電導熱能力最強的納米材料，石墨烯的概念自2004年問世以來就備受關注。

以動力電池領域為例，石墨烯是一種很有前景的鋰離子電池正負極材料。同時，石墨烯聚合物電池的重量僅為傳統電池的50%，成本將比鋰電池低77%。從性能上看，石墨烯鋰電池一次充電不超過10分鐘。

石墨烯因其獨特的特性被稱為“神奇材料”，科學家甚至預言它將“徹底改變21世紀”。

理想很美好。

眾所周知，智能手機領域應用最廣泛的電池材料仍然是鋰電池，它于1991年首次商業化，隨后成為電子設備的標準。但很多人認為這項技術已經達到極限，希望找到替代來源，于是石墨烯電池技術進入了人們的視線。



根據目前的消息，三星下一代旗艦機型Galaxy S9將采用石墨烯電池取代現有的鋰電池。這種電池在相同體積下的存儲容量約為鋰電池的45%，但可以在12分鐘內充滿電，在高達60攝氏度的環境下也能保持較高的穩定性。這使得這種材料電池不僅非常適合智能手機，也非常適合電動汽車。

據悉，三星研究院已經找到了大規模結合石墨烯和二氧化硅的方法。這種融合的材料被稱為“石墨烯球”，具有爆米花狀的結構。研究人員指出，這項技術不僅提高了電池的穩定性，還提高了導電性，“極大地提高了陰極的可循環性和快速充電能力”。更重要的是，它們的能量密度接近800Wh/L，與特斯拉使用的鋰離子電池差不多。

外界認為，如果三星是世界上第一家成功將石墨烯電池投入量產設備的制造商，將使這家韓國公司長期成為石墨烯材料的獨家供應商或專利持有者，這也將對公司的營收和全球地位有很大幫助。

同時“石墨烯電池”的概念在新能源汽車領域被反復提及，似乎已經成為電動車電池技術的突破口。石墨烯電池被稱為“里程碑黑科技”，號稱可以延長電動汽車的續航里程和續航時間，縮短充電時間。

最具代表性的可能就是菲斯克(Fisco)創始人亨利·菲斯克(Henry Fisco)研發的菲斯克EMotion電動車。FiskerMotion將采用新的石墨烯電池材料，充電九分鐘后可行駛208公里，最大續航里程644公里，最高時速259公里。這款車預計將于2020年率先在英國銷售。

此外，國內媒體報道稱，浙江大學科學家利用石墨烯薄膜作為陰極材料，研發出一種新型鋁-石墨烯電池。這種電池使用壽命長，能在極短的時間內充滿電，能在零下40℃到120℃的溫度范圍內正常工作。

而且這次研發的鋁-石墨烯電池有一些目前其他電池無法比擬的特點。比如鋁-石墨烯電池在零下40℃的低溫下依然可以穩定充放電1000次；高溫到100℃，穩定充放電45000次，即使電芯接觸火焰也不會起火爆炸。這種寬廣的溫度應用范圍為鋁離子電池未來在極端溫度條件下的應用奠定了基礎。

此外，該電池具有良好的柔韌性，經過10000次彎曲后容量仍能保持不變，顯示了其在可穿戴柔性電子設備中的應用潛力。

現實很骨感

目前石墨烯電池在資本市場上有著巨大的想象空間，但很多學者認為石墨烯電池還是實驗室的產品，真正的量產還遙遙無期。

北京有色金屬研究總院高級工程師清華大學博士劉觀偉在接受國家商報記者采訪時表示，“首先，對于石墨烯電池如何定義存在分歧。石墨烯加入電極材料時定義石墨烯電池有誤導性。關于石墨烯電池的消息僅限于一些表面報道，甚至連電池的結構和反應機理示意圖都沒有，能量密度、電壓、循環壽命等具體技術參數也缺乏。對于電池行業來說，沒有這些信息，報道的新聞就缺乏最基本的可信度，虛假夸大宣傳的可能性極大。”

中國石油大學教授李勇鋒也持懷疑態度。他認為，目前石墨烯在電池中的應用主要是與電池負極中的硅結合，替代原有的石墨，可以提高電池的整體容量和充電速度，但性能提升效果有限，網上傳言的顛覆性提升也不太現實。此外，有業內人士提到，石墨烯的表面特性受化學狀態影響較大，批次穩定性、循環壽命等問題難以滿足鋰電池生產的細節要求。

中建投的報告也顯示，性能優異的石墨烯產品何時能走出實驗室還是未知數。比如石墨烯作為透明導電膜時，其工業產品的制備存在一定的瓶頸，使得產品中石墨烯原油的低電導率無法發揮。由于單層石墨烯沒有帶隙，無法實現邏輯電路必備的晶體管開關功能，工藝復雜度大大提高，因此在微電子領域的廣泛應用尚需時日。

誠然，石墨烯被認為是未來最有潛力的材料之一，但目前來看，其泡沫成分大于其實際應用價值。阻礙這種材料普及的因素很多，大規模生產和成本是普及的主要障礙。石墨烯電池短時間內完全替代鋰電池恐怕還有很長的路要走。