2015年11月下旬，某通信設(shè)備企業(yè)高調(diào)發(fā)表了其最新產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用石墨烯作為電池材料，可大大縮短充電時間，提高電池的充電容量。這份報道一舉引發(fā)眾人的矚目，并將社會對石墨烯的關(guān)注程度提高到新的高度。

一、石墨烯是什么?

從百度百科中，我們可以知道：

1. 石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。

2. 石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料。

3. 石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”。

一句話，石墨烯是一種納米數(shù)量級的材料，具有高強度、高彈性和高導(dǎo)電性等性質(zhì)。

作為一種納米材料，石墨烯給人的最初印象是，它可能成為一種制造太空電梯材料的候補。即使在百度百科中，石墨烯的電學(xué)性能也僅僅占其性能的一部分。如果不是在第三點中“順便”提了一下其高導(dǎo)電性的話，僅從定義中很難找到石墨烯和電池的關(guān)系。

不過，納米材料是人類沒有涉及到的一類世界，我們從宏觀世界中所得到的種種“常識”，在微觀世界里并不能很好地再現(xiàn)。

如果說，納米數(shù)量級的石墨烯能夠?qū)μ岣唠姵氐男阅苡惺裁磶椭�的話，需要從電池的原理上進行分析。

二、電極材料與電池容量的關(guān)系

我們知道：從微觀的角度看蓄電池的充放電過程，實際上是一個陽離子在電極中“鑲嵌”和“脫離”的過程。所以，如果電極材料中的孔洞越多，則這個過程進行的越迅速。在宏觀的角度看則表現(xiàn)為蓄電池充放電的速度越快。

石墨烯的微觀構(gòu)造，是一個由碳原子所組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因為具有極限的薄度(只有一層原子的厚度)，所以陽離子的移動所受限制很小。同時正因為具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由石墨烯所制成的電極材料也擁有充分的孔洞。

從這個方面看，石墨烯無疑是一種非常理想的電極材料。

據(jù)位于美國紐約州的倫斯勒理工學(xué)院(RPI，Rensselaer Polytechnic Institute)的研究者的研究表明：使用石墨烯作為電池的樣機材料，其充放電速度將超過鋰離子蓄電池的10倍。

三、石墨烯研究的現(xiàn)狀

美國普渡大學(xué)(Purdue University)正在研究通過新的、更加簡單的方式制造納米電極材料的工藝。該大學(xué)的研究表明，在電池中使用納米材料，將會增加電池的充電容量和充放電速度。

目前，韓國的三星電子也在從事旨在硅表面添加石墨烯涂層的硅基陽極物質(zhì)的研究。如果該研究能夠取得成功，鋰離子蓄電池的壽命將會提高到2倍以上。

該研究綜合了硅基材料壽命長和石墨烯材料充電容量大的優(yōu)點，重點解決如何在硅基材料上建立石墨烯涂層的工藝化問題。

三星的研究人員通過在碳化硅電極的表面涂布石墨烯涂層，有效地擴展了陽極的表面積。同時與陰極所使用的鋰鈷氧化物進行組合，使電池的充電電源的單位體積能量密度油料較大的提高，其壽命也增加到母線市場銷售的鋰離子蓄電池的1.5-1.8倍。

2015年9月2日，據(jù)日本的科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)(JST)與日本東北大學(xué)的原子分子材料科學(xué)高等研究機構(gòu)(AIMR)發(fā)表，在作為下一代蓄電池而被熱切期待的鋰空氣電池中，通過使用具備三維構(gòu)造的多孔材質(zhì)石墨烯作為陽極材料，獲得了較高的能量利用效率和100次以上的充放電性能。如果電動車使用這種新型電池，則巡航里程將從目前的200公里左右增加到500-600公里左右。

鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)物的電池。其陽極通過金屬鋰與空氣中的氧氣發(fā)生氧化方應(yīng)生成過氧化鋰而放電，并通過過氧化鋰分解成鋰與氧氣而充電。

鋰空氣電池與目前所使用的鋰離子蓄電池相比，其充電容量將增加5-8倍。因此，被認為是接替鋰離子蓄電池的下一代蓄電池。但是，鋰空氣電池在能量利用效率與充放電重復(fù)性能方面仍然存在著很多的問題。

從原理上講，鋰空氣電池的充放電過程，是一個金屬鋰與空氣在由固體、液體以及氣體所構(gòu)成的三相界面上進行電子的交換過程。如何能夠有效地將液體與氣體進行混合，并有效地進行氧化鋰離子和還原過氧化鋰離子是個關(guān)鍵。

為解決這個問題，研究小組使用了多孔體的陽極材料。即使用了滲氮多孔石墨烯，在其上吸附二氧化釕(RuO2)作為反應(yīng)催化劑的材料結(jié)構(gòu)。

這種納米級多孔石墨烯材料，帶有100-300納米的微細孔洞，通過這些微細孔洞中，可圓滑地傳送鋰離子、氧氣以及電解質(zhì)。并能夠儲藏在放電反應(yīng)中生成的過氧化鋰離子。同時，因為這種結(jié)構(gòu)具有較大的表面積，所以兼具促進充電時所以進行的過氧化鋰離子的分解反應(yīng)的效果。

研究小組通過掃描電鏡(SEM)的檢查發(fā)現(xiàn)：經(jīng)納米多孔石墨烯電極的充電前后狀態(tài)對比，充電前在多孔石墨烯孔洞中存在的過氧化鋰離子，在充電后已經(jīng)消失;而經(jīng)過放電過程后，多空石墨烯孔洞中復(fù)又充滿了過氧化鋰離子。

另外，經(jīng)穿透電鏡(TEM)對經(jīng)過50次充放電后二氧化釕納米粒子的狀態(tài)觀察，沒有發(fā)現(xiàn)離子尺寸的變化，由此得知多次重復(fù)充放電過程并不會帶來催化劑的劣化。

四、展望

如前所述，石墨烯是一種比較理想的蓄電池電極材料。如果電池技術(shù)中能夠使用到石墨烯這種納米材料，將會從根本上改變電池的性能，進而使目前只能局限于城市內(nèi)部交通的電動車，成為與內(nèi)燃機車并駕齊驅(qū)的交通工具。

但是，我們應(yīng)該認識到：關(guān)于石墨烯技術(shù)，目前仍然處于實驗室的理論研究階段。與實際應(yīng)用仍然間隔著千山萬水。

我們知道，某項技術(shù)在實驗室中被證明是可行的，并不意味著該技術(shù)已經(jīng)進入實用階段。實驗室中技術(shù)的實現(xiàn)方法，與工業(yè)生產(chǎn)中的實現(xiàn)方法完全是兩種境界的事物。

比如，同樣是制取氧氣，在實驗室中可以通過加熱高錳酸鉀來實現(xiàn);而在工業(yè)生產(chǎn)中，則是通過液化空氣來實現(xiàn)的。

實驗室制氧是通過化學(xué)反應(yīng);工業(yè)制氧是物理反應(yīng)。同樣獲得氧氣，兩者采用的是完全不同的原理。

實驗室中即使能夠制取出石墨烯，也并不意味著石墨烯技術(shù)已經(jīng)進入我們的生活，更不能認為使用石墨烯作為電極材料的蓄電池已經(jīng)可以進行量產(chǎn)。

在實驗室里得到的成果，僅僅是證明了某種物質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)某個目標(biāo)，在原理上可行。與正式的大規(guī)模工業(yè)化量產(chǎn)仍然相距甚遠。

一般來說，某項技術(shù)在實驗室取得成果后，在不考慮各種行政部門的審批以及資金支持的前提下，至少需要以下的幾個步驟才能真正進入生產(chǎn)環(huán)節(jié)：

1. 小規(guī)模生產(chǎn)實驗

研究提高生產(chǎn)出實驗室同樣結(jié)果的更加有效的方法;

2. 中規(guī)模生產(chǎn)實驗

研究利用工業(yè)化產(chǎn)能及現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)資源(包括自然資源及工業(yè)制品)進行生產(chǎn)的可能性。同時，解決在小型化生產(chǎn)實驗中所沒有暴露出來的問題。

在產(chǎn)品量產(chǎn)化之前，這一步驟很重要，需要解決的問題也非常多。因為往往在小規(guī)模的情況下，很多并不很嚴重的問題在規(guī)模擴大的情況下，變得很突出。比如，在實驗室中幾乎不需要考慮生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染、腐蝕及廢棄物排放問題;

3. 大規(guī)模生產(chǎn)的工藝設(shè)計

總結(jié)中型化生產(chǎn)實驗的結(jié)果，進行大規(guī)模生產(chǎn)的工藝設(shè)計，生產(chǎn)流水線以及各步驟的工藝要求，質(zhì)量檢驗系統(tǒng)，降低成本等等。

從實驗室成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)化產(chǎn)品的周期非常長。如果想趕時間，在某一步驟沒能得到妥善解決的情況下就貿(mào)然進入工業(yè)化生產(chǎn)，就會為后面的量產(chǎn)帶來隱患，甚至無法實現(xiàn)量產(chǎn)。

作為其實例：豐田公司生產(chǎn)的燃料電池車，恐怕就是因為上述(2)和(3)步驟的問題，而導(dǎo)致產(chǎn)品的產(chǎn)量極低(2015年產(chǎn)量為700臺，即3臺/工作日)。這個產(chǎn)量相當(dāng)于著名跑車——法拉利產(chǎn)量(7,000臺/年)的1/10。

對于媒體所報道的關(guān)于石墨烯電池研究有了新的進展的消息，確認令人非常振奮!但是，即使該報道內(nèi)容準(zhǔn)確，研究也處于最理想的狀態(tài)下，我們能真正享受到石墨烯帶給我們的種種便利，也需要一個漫長的等待時間。

(關(guān)鍵字：石墨烯 電池)