（要闻）天天喊石墨烯电池 其实都叫错了

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与石墨相比，无层状结构石墨烯作为锂电池负极的产业化前景并不乐观。从目前的技术发展阶段来看，石墨烯电池还没有出现。

不久前，一家知名厂商在法国官方推特上发布消息，预测将是首个搭载石墨烯电池的手机品牌，并指出这款电池比之前的型号更快、更耐用、更小巧。虽然这条新闻很快被删除，但它再次引起了人们对石墨烯及其在电池中的作用的关注。那么，目前有石墨烯电池吗？石墨烯遇到电池会给我们带来什么惊喜？

石墨烯+锂电池≠石墨烯电池

众所周知，锂电池由四大材料组成:正极、负极、隔膜和电解液。目前使用的主要负极材料是石墨。石墨烯是从石墨中分离出来的二维晶体，由碳原子组成，只有一层原子厚度(0.35 nm)。其性能优于石墨，并具有导电性强、超高强度、高韧性和高导热性，被誉为“新材料之王”。人们希望它能取代石墨作为电池的负极或作为锂电池的其他关键材料，从而大大提高锂电池的能量密度和功率密度。

目前很多人把含有石墨烯材料的电池称为“石墨烯电池”。“其实称这些电池为石墨烯电池并不是很科学严谨，这个概念也不符合行业命名原则和非行业共识。”天津大学化学工程学院教授杨在接受《科技日报》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，石墨烯作为一种碳纳米材料，并没有超出锂电池常用碳材料的范围。虽然在科学论文和企业产品中有很多关于石墨烯改善锂电池性能的新闻，但是其核心储能机制并没有因为石墨烯的加入而改变，所以把石墨烯的锂电池称为石墨烯电池并不合适。

另外，从专业角度来说，即使电池是以一种关键材料命名，一般也遵循“正极-负极活性材料”的规律。锂电池的充放电是通过锂离子在正负电极材料中的插入和释放来完成的。所以如果命名为石墨烯电池，石墨烯应该是主要的电极材料，但现在石墨烯和添加剂一样，在提高电极的导电性或导热/散热特性方面起着重要作用，并不是电池正负极的活性材料。所以这样的电池不能命名为石墨烯电池，称之为石墨烯基锂电池更为准确。

“从目前的技术发展阶段来看，石墨烯电池还没有出现。石墨具有层状结构，为锂离子嵌入设置了闸门。拥有充放电平台和高库仑效率是锂电池的决定性因素，也是锂电池成为关键材料的重要因素之一。”杨表示，相比之下，无层状结构石墨烯作为锂电池负极的产业化前景并不乐观。纯石墨烯的充放电曲线与硬碳和活性炭材料非常相似，存在第一次循环库仑效率低、没有充放电平台、循环稳定性差等缺点。因此，纯石墨烯目前不存在替代石墨材料直接用作锂电池负极的可能性。然而，石墨烯基复合材料有可能作为高性能电极材料来促进锂电池行业的发展。

“添加剂”提高电池性能

“随着5g时代的到来，人们迫切需要电池实现快速充放电、快速导热和高能量密度。不可否认的是，‘添加剂’石墨烯可以显著提高锂电池的性能，部分解决目前的工业瓶颈。”杨对说道。

据报道，碳导电剂是锂电池必不可少的材料，但大量不活泼的轻质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)，成为锂电池发展的重要瓶颈。杨说，用石墨烯作为锂电池的导电剂，可以大大提高单位碳原子碳导电剂的导电效率。通过将炭黑等传统导电添加剂的“点到点”接触方式改为“面到点”接触方式，可以构建“由软到薄到密”的导电网络，大大减少不贡献容量的碳导电剂用量，解决碳导电剂用量与高能量需求的矛盾，显著提高电池的体积能量密度和充放电性能。

此外，由于石墨烯具有良好的导热性，目前被主流手机厂商用作散热材料。石墨烯作为一种优良的热导体，可以有效接触和保护高活性物质，一方面可以减少电解质在其表面的副反应和放热；另一方面，对电池进行充放电，尤其是快速充放电产生的大量热量，可以实现有效的传热，减少电池工作过程中的潜在热危害和热失控，使整个电池系统的热循环更加稳定。

随着移动智能终端应用如电动汽车和3c电子的快速发展，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。纳米技术极大地提高了二次电池的质量能量密度和充放电速度，但很难通过纳米技术提高体积能量密度。杨说，纳米材料的致密化是使电极材料同时具有高质量和高体积性能的唯一途径。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，就像将膨化食品转化为压缩饼干一样。该技术在锂电池中最直接的应用就是可以实现高性能硅碳电极的致密化，大幅增加锂电池单位体积的容量，为消除电动车里程焦虑和3c电子等智能终端电池的小型化提供解决方案。这可能成为石墨烯在未来提高锂电池性能的重要应用。

可能取代锂电池的技术

今天的移动世界离不开锂电池。美国阿尔贡国家实验室储能联合研究中心负责人乔治·克拉布特里(George Crabtree)曾说:“这是有史以来最好的电池技术。”然而，许多研究人员认为锂电池的能量密度接近其上限。

那么，未来有哪些技术可以替代锂电池呢？

据《科学美国人》杂志报道，世界各地的研究人员正试图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。

2013年，美国化学工程师埃尔顿·凯恩斯(Elton Keynes)基于锂硫技术开发了一种只有硬币大小的新型化学电池。经过劳伦斯伯克利国家实验室1500次充放电循环，电池容量只损失一半。据报道，由于使用金属锂阴极，锂硫电池的能量密度理论上是锂电池的5倍以上。在实践中，生产电池的polyplus公司发现，增加硫和减少电解质会使电池更容易损坏。但英国oxis能源公司看好锂硫电池的未来，正在努力开发高能量密度、适用于电动汽车的锂硫电池。

一些研究人员认为，下一代电池应该使用比锂更重的元素，如镁。与单价锂离子相比，二价镁离子可以携带两个电荷，这意味着可以释放的电能增加了一倍。但是，带两个电荷的镁离子运动缓慢，很难通过电解质和电极，就像通过粘稠的糖浆一样。

劳伦斯·伯克利国家实验室的材料科学家克里斯汀·佩尔松和麻省理工学院的材料科学家格布兰德·赛德成立了佩利昂技术公司，开发高容量镁电池。2013年底公布的大量专利显示，他们正在开发更开放的电极结构，以促进镁离子的快速传输。包括丰田、lg、三星和日立在内的主要电子公司正在开发类似的镁电池。(记者华玲)