石墨烯电池到底是高科技还是噱头？谈谈石墨烯的神奇功能

这几年石墨烯电池挺火的，好像电池加上石墨烯就可以化腐朽为神奇，把所有的电池性能都大幅度提升。真有那么神奇吗？石墨烯在电池中究竟发挥什么样的作用呢？咱们来聊聊这个事情。我是东城观星，每周跟大家聊点高科技的知识，有兴趣的记得关注一下。

在市场宣传效应下，很多人搞不清楚石墨烯电池到底是什么？其实市场上的石墨烯电池，都是利用石墨烯材料改进传统电池的性能，各种类型的电池理论上都可以用石墨烯来改进性能。为了蹭热点，很多电池只要添加一点石墨烯，就会改名成石墨烯电池，甚至有些电池不添加真正的石墨烯，也敢叫石墨烯电池。锂离子电池添加了石墨烯可以叫石墨烯电池，铅酸电池添加了石墨烯也可以叫石墨烯电池。至于添加多少，怎么添加，石墨烯到底起到什么样的作用，没有严格的规定，就算在外壳上掺点石墨烯，也可以自称石墨烯电池，没有人去打假。所以以后应该对石墨烯电池有一个严格的规范，不应该像现在这样混乱。

之所以会出现石墨烯电池命名乱象，也跟石墨烯的功能太多有关，石墨烯在电池中可以起到很多作用，也可以添加到电池的不同的部位发挥不同的功能。比如，石墨烯可以在锂离子电池中充当负极材料，能够比石墨电极获得更高的电池容量，能比石墨电极承受更高的快充技术。石墨烯也可以添加到锂离子电池、铅酸电池等不同类型的电池中，利用自身优异的导电性、导热性和高强度，来大幅度改善电池的性能。比如延长电池的使用寿命、增加电池容量、让电池更好地适应快充技术等等。目前来说，多数的石墨烯电池，主要还是把石墨烯当成一种添加剂加入到电池电极中的，并不是用石墨烯直接制作电池电极，更不是直接用石墨烯来制作电池。换句话说，石墨烯在电池中起到的是辅助作用，而不是主导作用。

那石墨烯到底是怎样给电池带来那些优异性能的呢？为啥石墨烯能做到的事情，石墨就做不到呢？且听我继续介绍。

很多人搞不太清楚石墨和石墨烯的区别，其实严格来说，石墨本身就是一堆石墨烯叠放在一起形成的，我们常见的一些石墨烯本身就是用石墨来生产的。换句话说，石墨和石墨烯本身就是一家子。只不过真要把石墨和石墨烯放到一起，给人的感觉就是一个平民和一个贵族。石墨储量丰富，成本低廉，一直都不算是太高档的材料。石墨烯虽然是可以用石墨来生产的，但是石墨烯拥有很多石墨所不具备的优异性能，一旦把石墨烯从石墨里面拿出来，那就相当于是鲤鱼跃龙门了。

一个最直接的差异就是比表面积，把石墨烯堆叠在一起可以形成石墨，石墨中的石墨烯因为相互堆叠而被掩盖住了，表面积只剩下了最外层石墨烯的一面。内部空间就不再暴露在外了，像锂离子这样的物质还可以钻进去，能钻进去的数量还受限制，更多的物质连进去的机会都没有。很多时候我们需要用活性炭来吸附有毒气体，或者用活性炭来催化反应，但很少用石墨来吸附有毒气体，就是因为石墨的比表面积很小。锂离子电池中的石墨电极，每6个碳原子可以结合一个锂离子，而石墨烯每6个碳原子可以结合两个锂离子，两面都可以结合，轻易就把锂离子容量增加了一倍。

第二个很重要的差异就是导电能力。石墨烯具有非常好的导电性，但是石墨的导电性却大大降低。原因是石墨烯的化学键平面是暴露在外面的，其中有很多比较特殊的离域π电子，这些电子有点像金属里面的自由电子，甚至比金属的自由电子导电能力还强。但是一旦石墨烯堆叠在一起，由于范德华力的影响，这些电子不再自由，原来很容易导电的石墨烯，到了石墨里面却变成了半导体。这就是很多电池里面虽然添加了石墨改善性能，但同时还得再添加一些导电的添加剂。

当然，如果只考虑石墨烯很结实的性能，把石墨烯堆叠在一起也是有好处的。只要石墨烯面积够大，把它们堆叠在一起，就可以形成非常结实的石墨烯膜，这种石墨烯膜如果用来制作轮胎，就可以阻止任何气体漏出去。同时自己也非常结实，一般的钉子是扎不透的。将来用它们来生产特殊的防护材料是非常有前景的。当然也可以用大片石墨烯编织绳子，这样的绳子比钢筋还要结实，可以用来制造太空电梯。这样的石墨烯膜或者石墨烯绳索，虽然也是多层的，但已经不能被称为石墨了。石墨是碎片化的石墨烯堆积起来的，没有大片石墨烯的强度、没有单片石墨烯的优异导电性能、比表面积也比不上石墨烯，甚至导热能力也远比不上石墨烯，便宜是很便宜，但替代不了石墨烯。

我们再说石墨烯电池的事情。目前主流的石墨烯电池，不管是高端的锂离子电池还是市面上宣传比较多的铅酸电池，都是往传统电池的电极里添加少量的石墨烯，从而改善电池的充放电性能，延长电池的使用寿命。我们简单介绍一下这两种电池：

先说市面上比较普遍的铅酸石墨烯电池。铅酸蓄电池是很经典的充电电池，成本低、使用安全而且方便回收，一百多年来始终在电池市场上占据一席之地，经久而不衰。目前在传统汽车和电动自行车上还有很大的市场。但是铅酸电池本身存在一些问题，影响了电池的寿命。比如，在电池的负极很容易形成硫酸铅晶体，这些硫酸铅的晶体一旦形成，就很难再溶解到硫酸里面去了，而且还会阻挡电极液与负极板的接触，从而降低电池的容量和寿命。一般来说，铅酸电池长期处于亏电状态，就容易形成硫酸铅结晶，严重影响电池的寿命。即使正常使用，随着充放电次数的增加，硫酸铅晶体也会逐渐积累起来。

石墨烯，就可以改善铅酸电池。首先石墨烯可以阻碍硫酸铅在负极表面结晶，防止硫酸铅晶体成为负极反应的障碍物，甚至可以让硫酸铅只能形成微小的粉末而不是大块的晶体，只要硫酸铅不能形成大块晶体，在充电的时候就还可以被溶解。其次，石墨烯有很好的导电性，相对于不能导电的硫酸铅来说，石墨烯能够很好地协助电池负极导电，帮助电池负极参与反应，而不是阻碍反应。此外，石墨烯还有很好的导热性，能够帮助电池更好地管控热量，不至于局部过热而产生危险。目前来说，主流的石墨烯铅酸电池，都是通过添加石墨烯来延长电池寿命，改善电池性能的。当然，添加量非常少，终究算不上主要成分，应不应该叫石墨烯电池，大家自己去理解。

再说锂离子电池。锂离子电池的工作原理这里就不详细介绍了，以前曾经介绍过。咱们捞干的，直接说石墨烯在电池中的作用。石墨烯在锂离子电池中，不仅可以充当添加剂，更可以发挥主要作用。

石墨烯可以替代石墨，直接充当锂离子电池的负极，石墨烯比表面积大，负极容量会更高，同时锂离子被石墨烯吸附要比进入石墨电极内部容易多了，毕竟石墨内部空间很狭窄，就算锂离子很小，钻进去也是需要费力的。石墨烯是一个敞开的空间，锂离子进出容易多了。此外，石墨烯有更好的导电性和非常不错的导热性，这对于提升锂离子电池的工作性能帮助很大。现在的电池不断提高充电速度，对于电池本身的挑战越来越大，石墨烯就是应对这种快充挑战的一个很好的选择。

还有现在很多汽车用的高容量锂离子电池，已经把石墨电极换成硅基电极或石墨和硅混合的电极，这样可以大幅度提升电池的容量。硅基电极虽然容量更高，但充放电的过程中自身体积变化比较大，很容易破坏电极结构降低电池寿命。石墨烯可以协助硅电极解决很多劣势。因为石墨烯是非常结实的物质，能够搭建一个立体网络，起到支撑硅基材料的作用，大幅提高电极的稳定性，同时还可以大幅度提高电极自身的导电能力和导热能力。要知道硅材料本身导电能力是比较弱的，石墨烯导电性却很好。

此外，石墨烯还可以添加到其他负极材料中，起到类似的作用，甚至也可以添加到正极材料中，同样可以帮助正极材料加强导电导热能力，协助正极材料维持结构，降低充放电过程中结构损伤，尤其是快充的时候。所以经过石墨烯协助的锂离子电池，能够更好地耐受快充带来的伤害，延长电池的寿命。

好了，就简单说这么多吧。需要补充的一点是，石墨烯电池虽好，但石墨烯本身生产比较困难，成本高，也会给石墨烯电池生产带来很多困难。比如，很多石墨烯产品的质量稳定性不能保证，造成不同批次的产品性能差异比较大，给电池生产带来不确定性。另外，石墨烯虽好，一旦在电池生产的过程中石墨烯聚集到一起甚至叠加到一起，就会大大降低石墨烯的作用，必须很好地控制加工工艺，这也给电池生产带来一定的麻烦。

简单总结一下，虽然都叫石墨烯电池，但有没有添加、添加了多少、添加的石墨烯品质如何、添加工艺是否过关等等都会影响最终产品的性能，所以不是添加了石墨烯就一定是高档电池。未来还需要严格的国家标准来进行规范。

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