狹義上來說，石墨烯是碳原子以 sp2 雜化軌道呈蜂巢晶格排列構(gòu)成的單層二維晶體，廣義上來說，10 層以內(nèi)的石墨結(jié)構(gòu)也可稱作石墨烯。這種材料是目前已知的世界上最薄的材料，單層厚度僅有 0.34 nm。它不僅是世界上最堅硬、導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料，也世界上電阻最小的材料，它在常溫下電子遷移率超過 15000 cm2/V·s ，是理想的電池材料。
前兩天華為法國分公司在 Twitter 上發(fā)了一則消息稱，明年上半年發(fā)布的華為 P40 系列手機將會使用石墨烯電池。
消息一出，整個網(wǎng)絡(luò)上掀起了一波石墨烯浪潮，大家紛紛討論使用石墨烯電池的手機續(xù)航如何強大，石墨烯概念股也一片飚紅，整個電子行業(yè)似乎被打了雞血，所有人都在期待石墨烯時代的到來。
但幾小時后華為官方給熱血上頭的消費者和投資者潑了一盆冷水：‘之前華為法國官推發(fā)布消息有誤，P40 并沒有搭載石墨烯電池’。雖然被證實是 Fake News ，但石墨烯電池也不是編撰出來的概念名詞，而是大部分電池能源公司努力的方向。
從 1884 年第一輛實用的電動汽車開始，人們就一直為提高電池容量做不懈努力，但從科技樹時間線來看，電池技術(shù)一直比其他技術(shù)的發(fā)展更慢。在智能手機出現(xiàn)之后，電池續(xù)航時間的不足對使用手機的影響愈發(fā)明顯，一塊充電寶，成了所有手機用戶身上的累贅。
為了保障用戶的正常使用體驗，電池廠商也一直改良鋰電池的制作工藝，但電池材料改良的速度遠低于其他元件功耗上升的速度。手機厚度/性能/續(xù)航成了不可解決的三元悖論，得到其中兩項就必須舍棄一項。
提升鋰電池能量密度的利器
好在石墨烯材料橫空出世，2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中用膠帶從石墨中分離出石墨烯，證實了這種萬能材料的存在。他們二人也因此獲得了 2010 年諾貝爾物理學(xué)獎，可見石墨烯對世界的重要性。
目前石墨烯電池技術(shù)有兩個大方向，一個是作為陽極鑲嵌鋰離子，另一種是作為導(dǎo)電劑存在。作為電極材料可以算是傳統(tǒng)鋰電池的改良版。傳統(tǒng)鋰電池一直采用多層石墨作為鑲嵌結(jié)構(gòu)。如果將石墨分成單層結(jié)構(gòu)(石墨烯)，石墨烯作為陽極的鋰電池的理論容量將是傳統(tǒng)鋰電池容量的兩倍以上(>744 mAh·g -1)。
對于手機電池來說，這樣的電池近乎是夢幻般的存在。試想一下，如果你的手機可以三天一充，手機功能將會發(fā)生怎樣的變化。
電池快充技術(shù)的究極方案
石墨烯對鋰電池的重要性還不僅如此，石墨烯作為目前導(dǎo)熱率最高的材料，如果使用石墨烯對鋰電池進行散熱，鋰電池的快充速度能再次提升一個臺階。之前在 2015 年的第 56 屆日本電池大會上，華為就拿出了使用石墨烯為鋰電池散熱的技術(shù)，展示了 5 分鐘即可充滿 3000mAh 電池 48% 電量的快充技術(shù)成果。
華為石墨烯電池技術(shù) 圖片來自：華為官網(wǎng)
如果將石墨烯散熱與石墨烯作為電池正極的技術(shù)相結(jié)合，鋰電池的容量和充電速度將同時獲得提升。
2017 年，三星就宣布開發(fā)出了采用石墨烯技術(shù)的電池。在三星的演示中，這塊采用石墨烯技術(shù)的手機電池容量提升了 45%，同時還可以做到 12 分鐘內(nèi)充滿電，強大的電池性能，讓人看到了石墨烯電池在電子產(chǎn)品上的潛力。
電動車?yán)m(xù)航體驗的拯救者
期待石墨烯電池的不僅是手機廠商，還有被續(xù)航里程困擾的新能源車企，即使是采用三元鋰電池的特斯拉，也無法做到與燃油車媲美的使用體驗，但石墨烯可以改變這種尷尬的局面。
2014 年一家名為 Graphenano 的西班牙石墨烯創(chuàng)業(yè)公司與科爾瓦多大學(xué)合作研究出全球首個石墨烯聚合材料電池，用此電池提供電力的電動車最多能行駛 1000 公里，而其充電時間不到 8 分鐘，可見石墨烯對電池容量和充電速度提升有多大。
如果未來電動車都使用 10 分鐘就能充滿電的石墨烯電池，電動車?yán)m(xù)航難題將不復(fù)存在，快充電站將代替加油站。如果車主下車上個廁所就能充滿電，那么電動車將和燃油車一樣方便。
仍在產(chǎn)業(yè)化路上的技術(shù)
材料學(xué)不同于其他學(xué)科，從原理到產(chǎn)品都有漫長實驗周期。從目前石墨烯的制造和應(yīng)用程度來看，石墨烯還處于早期階段，雖然 2018 年全球石墨烯市場規(guī)模已經(jīng) 2.73 億美元，年均增速也保持在 40% 的高速增長上，但大部分生產(chǎn)石墨烯的企業(yè)都沒有掌握大規(guī)模量產(chǎn)石墨烯的技術(shù)，生產(chǎn)出來的高純度石墨烯材料售價每克在千元以上。
這樣昂貴的材料，最多在實驗室研究時才能出現(xiàn)，如果想要商業(yè)化，不說技術(shù)和產(chǎn)量夠不夠，光價格恐怕都無人買單。石墨烯這種尚且在產(chǎn)業(yè)化前期的技術(shù)，恐怕還要三五年才可能出現(xiàn)在電子產(chǎn)品中。
不管從哪方面來看，石墨烯為都是鋰電池突破的關(guān)鍵所在。但石墨烯作為一種新型的材料，還是太年輕了些。每當(dāng)人類發(fā)現(xiàn)一種新材料，總要按照原理研究—實驗室生產(chǎn)—規(guī)?；a(chǎn)—產(chǎn)品這一流程進行。
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