傳遞科技背後的思考
大家好，今天我們説一説石墨烯電池。這兩天廣汽透露了一個大消息，預計今年底將進行石墨烯電池的實車量產測試，廣汽埃安將是率先使用石墨烯電池的品牌。
廣汽表示，如果石墨烯電池能夠量產裝車，可實現8分鐘充滿80%電量，充電10分鐘、續航200-300公里。
咱們先不管80%電量為啥才跑200-300公里，就説這個氣勢，妥妥的吊打特斯拉V3超級充電！當特斯拉還掙扎在高鎳路線的時候，廣汽來一個漂亮的彎道超車，驚不驚喜？意不意外？
冷靜一下！讓我們想想，上一次關於石墨烯電池的大消息是什麼時候呢？去年12月份，華為傳出要在P40 Pro上面搭載石墨烯電池，10分鐘充電70%。事後證明是個錯誤的消息，後來P40 Pro上市的時候也沒有看到石墨烯電池的蹤影。
圍繞着石墨烯，迷霧重重，讓人霧裏看花。
江湖傳説比黃金還貴的石墨烯，到底是個啥？
它是怎麼和動力電池扯上關係的？
而石墨烯電池，又有什麼黑科技？
今天我就和大家一起看看這個神奇的石墨烯，還有“神奇”的石墨烯電池！
石墨烯先來點兒理論知識：
大家都知道，碳有三種同素異形體，即金剛石、石墨和無定形碳。
燒烤用的碳就含有無定形碳，當然裏面有雜質，無定形碳的原子排列有些雜亂，但也不是完全雜亂無章。而金剛石的每個碳原子排列很規則，都和另外四個碳原子構成正四面體。
石墨中的碳原子排列有點兒特殊，它是層狀的，每一層的碳原子和另外三個碳原子連接，形成一個六邊形網狀平面結構。而層與層之間以分子間力結合，因此石墨不同層很容易滑動。所以家裏的鑰匙插不進鎖孔，可以削一點兒鉛筆芯潤滑。因為鉛筆芯就含石墨，好神奇啊，鉛筆含石墨不含鉛，卻叫鉛筆。
石墨
石墨烯就更神奇了，它是石墨的單層原子結構，如果我們拿鉛筆很輕的在紙上畫一條線，説不定就有單層石墨被剝離出來。2004年英國曼徹斯特大學的Geim和他的兩個學生用膠帶在高定向熱解石墨上反覆剝離最終得到了單層石墨。
從2010年石墨烯發明者獲得諾貝爾獎開始，國際上對石墨烯的研究開始爆發，研究論文成指數增長，其中將近一半都是我國科研人員貢獻的。
石墨烯是世界上首個被發現的二維材料，它的厚度0.335 nm，大約是頭髮絲的二十萬分之一，台積電的5nm在它面前弱爆了。
石墨烯也不只是單層，它包括單碳層石墨烯、雙碳層石墨烯、多碳層石墨烯（3-10層）。層數不能太多，太多那就是石墨了。
如果穿着石墨烯做的衣服，呃，那和沒穿一樣。
天將降大任於斯人也，必先苦其心志，勞其筋骨......
石墨烯都被扒的只剩一層皮了，你説它苦不苦，勞不勞？你説它要不要承擔大任？
顯然，石墨烯是帶着歷史使命問世的。
石墨烯特殊的結構，決定了它的導電性、導熱性，強度都非常好，比表面積大。所以它在計算機芯片、電子材料、導熱材料，高性能複合材料、環境處理、催化劑載體等領域具有潛在應用。
導電性、導熱性，強度都好理解，比表面積是啥意思呢？它是指單位質量物質所具有的總面積。比表面積越大的物質，散熱越好，和其他物質混合時，接觸面積也越大。
知道為啥研究石墨烯的論文多了麼？它在材料領域就是個萬金油，哪裏遇到困難了，先把它拿來試一試，説不定就大力出奇跡。
二次電池領域就是這種情況，咱説的二次電池可不是二手電池，而是可充電電池，也叫蓄電池。
二次電池，從鉛酸到鎳氫，再到鋰電，一直都是各種問題。要麼容量低，要麼壽命短，要麼嬌貴，要麼不安全，要麼充放電慢。總之，這個領域是一言難盡，哪怕是能回收火箭的馬斯克，也進展緩慢。
所以，電池遇上石墨烯，是水到渠成，也是歷史的必然！
石墨烯電池石墨烯電池，其實目前為止還沒有一個完整的定義。
對石墨烯電池的研究，也是五花八門，大體上分為實驗室路線和產業路線。
一、實驗室路線
實驗室路線不考慮產業轉化，追求的是顛覆式的創新，所以更大膽，更瘋狂。
目的是把石墨烯當主要材料，顛覆已有的化學電池，做出碾壓鋰電池的石墨烯電池。
舉個實驗的例子：用導線連接帶狀石墨烯兩端，然後把石墨烯放在氯化銅溶液中加熱，可以通過儀器檢測到導線上面有電流。這是因為加熱過程中氯化銅溶液中的銅離子活性變強，當銅離子穿過石墨烯時，使電子離開石墨烯。電子游離以後，會選擇一個最短的路徑移動，由於石墨烯和導線形成的路徑比溶液的電阻更小，所以電子選擇導線的路徑行進，產生電流。
這個實驗中電流的能量來源是熱，這是一個綠色能源的研究方向。
總之，實驗室路線天馬行空，但是大家也能看出來，這類研究短期內是不可能形成產品的。
二、產業路線
產業路線的研究就實際多了。
既然實際，就不可能偏離現有的電池路線。
鋰電池自然而然成了和石墨烯結合的最好目標。
產業路線包括如下幾個方向：
1、替換現有的電極材料
首先，我們借用一張鋰電池的經典圖片，關於鋰電池的細節，如果大家感興趣我以後單獨寫文章展開講，今天就不詳細講解了。
鋰電充在充滿電以後，鋰離子都在左側的電池負極（也叫陽極，大家注意沒有寫錯，就是陽極），它們呆在哪裏呢？當然是能夠容納鋰離子的材料裏面。這種材料有特定的結構，即可以容納鋰離子，又不明顯變形 。一些鋰鹽可以做負極，更普遍的負極材料是石墨。
既然石墨能做負極，那性能更好的石墨烯當然也可以做負極啦。
但事情沒有這麼簡單，因為鋰電池容量的瓶頸不在石墨，而是在右側的電池正極（陰極）材料，也就是三元鋰、磷酸鐵鋰啥的。
雖然負極換成石墨烯除了增加容量，也能通過減少重量提高能量密度，還能加快充電速度。但是，石墨烯太貴啦，全用石墨烯估計也賣不出去了。
不用石墨烯替換負極材料，那就替換正極材料？
這個方案就不用想了，替換正極就不是鋰電池了。
不能替換，就只能增強電極的活性。
2、增強現有的電極材料
上面説了石墨烯的特點，導電性好啊，比表面積大啊，所以如果添加在電極裏面能夠更好的幫助電子運動。
a. 石墨烯增強正極材料的活性
添加的方法包括覆蓋法、混合法。
覆蓋法是在正極材料外面覆蓋形成包裹，但是這樣會影響鋰離子的通過。
所以更可行的方式是混合法，比如將LiFePO4納米顆粒與氧化石墨進行超聲混合，製得了微觀結構更加工整的LiFePO4/石墨烯複合材料，導電效果提高後，能夠大幅提升倍率性能。
b. 石墨烯增強負極材料的活性
利用石墨烯材料的導電性能和結構特點輔助納米材料，改善其鋰離子傳輸速率，從而提高鋰離子電池的倍率性能，彌補原材料的缺陷和不足。
石墨烯作為負極材料的添加，比正極材料研究的要更深入，包括過渡金屬氧化物/石墨烯複合材料和石墨烯改性硅基材料等。
3、作為導電添加劑
石墨烯優異的導電性能，使其可以作為導電添加劑優化電池的電導率。
但是在負極中應用石墨烯導電添加劑經濟效益不大，因為負極大部分為石墨。
4、其他應用
石墨烯也可以作為電池散熱的材料，通過提高鋰離子電池與環境間的散熱效率，提高電池的高温工作表現。
上面的這些研究方向，作為負極材料添加劑的研究是最深入的，然而就是這個方向，也還沒有實現突破。
廣汽的石墨烯電池説了半天石墨烯電池的研究現狀，咱們再説説廣汽這次透露的石墨烯電池。
從信息上看，主要是兩點：
- 廣汽有自主的三維結構石墨烯技術。
- 廣汽是將三維結構石墨烯作為添加劑添加進電池的正負極，改善電池充電性能。
怎麼説呢，鋰電池還是那個鋰電池，配方稍微改了改，而且是實驗性質的改。
而且3D石墨烯和我們上面説的石墨烯也不一樣，如果是上面的片層石墨烯，那價格要高很多。石墨烯家族的產品種類很多，包括廣汽研究的3D石墨烯一共有幾百種之多。
其實市場上也有其他公司在做石墨烯電池，説穿了都差不多，在鋰電池的基礎上添加各種石墨烯家族產品。
而真正能夠穩定量產，並且性能確實有明顯提升的，沒有！
所以，這就是鋰電池換了個馬甲啊！
廣汽集團也強調，該技術最終能否實現量產仍需等待實車驗證結果。另外，石墨烯電池快充技術的實現，還需解決成本、以及充電配套設施等問題。
廣汽這次不能算是放了一個大招，過度解讀對各方都不利。