“石墨烯电池”技术

传说中的“石墨烯电池”技术，难道是一场弥天大谎？

近几年来，石墨烯这种获过诺奖的材料一直广受社会关注，在相关媒体上也充满了各种“石墨烯电池”等方面的新闻。

广大群众此时可能会好奇：石墨烯这种材料到底有多少用处，能不能依靠它来解决目前材料、电池等方面遇到的一系列技术瓶颈，帮助电动汽车、储能等行业实现飞跃？

首先上一下结论：“石墨烯电池”这个技术接近于不存在，石墨烯只有在理论上能够提高充放电速率，而对于容（能）量的提升基本没有任何帮助（期望“石墨烯电池”可以解决手机/电动汽车续航的人要失望了），其噱头意义远大于实用价值。

而且石墨烯材料本身纳米材料的高比表面积等性质与现在的锂离子电池工业的技术体系是不兼容的，应用的希望十分渺茫。

在本文中，笔者将结合石墨烯的具体特性，来重点分析石墨烯相关技术，即所谓的“石墨烯电池”在锂电池/储能行业中的发展情况和应用前景。

定义问题：“石墨烯电池”是否存在？

此处，首先援引知乎用户@土豆泥同学的一篇关于石墨烯的文章，其中对于“石墨烯”电池的定义介绍如下：

“事实上，国际锂电学术界和产业界并没有“石墨烯电池”这个提法。维基百科里也没有发现“graphene battery”或者“graphene Li-ion battery”这两个词条的解释。根据美国Graphene-info这个比较权威的石墨烯网站的介绍，“石墨烯电池”的定义是在电极材料中添加了石墨烯材料的电池。这个解释显然是误导。

根据经典的电化学命名法，一般智能手机使用的锂离子电池应该命名为“钴酸锂-石墨电池”。之所以称为“锂离子电池”，是因为SONY在1991年将锂离子电池投放市场的时候，考虑到经典命名法太过复杂一般人记不住，并且充放电过程是通过锂离子的迁移来实现的，体系中并不含金属锂，因此就称为“Lithium ion battery”。最终“锂离子电池”这个名称被全世界广泛接受，这也体现了SONY在锂电领域的特殊贡献。

目前，几乎所有的商品锂离子电池都采用石墨类负极材料，在负极性能相似的情况下，锂离子电池的性能很大程度上取决于正极材料，所以现在锂离子电池也有按照正极来称呼的习惯。比如，磷酸铁锂电池（BYD所谓的“铁电池”不在笔者讨论范畴）、钴酸锂电池、锰酸锂电池、三元电池等，都是针对正极而言的。那么以后如果负极用硅材料会不会叫做硅电池？也许可能吧。但不管怎么样，谁起主要作用就用谁命名。”

从此文可以看出，在电池中，以主要作用的成分（磷酸铁锂锂电池）、机理（液流电池等）来命名是一般通用的规则，那么对于“石墨烯电池”呢？

所谓的“石墨烯电池”原理图，实际上并没有关于该电池反应机理的有效信息。如果查阅百度百科“石墨烯电池”，大家会发现该词条中并没有对于该电池的反应机理的细致说明，其中主要的信息集中于石墨烯薄膜、石墨烯快充放电容器、以及2014年西班牙Graphenano的那条“电池成本下降77%，续航里程扩展至1000公里”的新闻。

但是非常遗憾的是，这些新闻都仅限于一些皮毛的报道，连电池的结构和反应机理示意图都没有，也缺乏具体的能量密度、电压、循环寿命等具体的技术参数。而对于电池工业来说，没有这些信息，报道出来的新闻缺乏最基本的可信度，虚假夸大宣传的可能性极大。近一年过去了，业界的进展情况也可以作为此类新闻“不靠谱”的佐证。

我们应该进行进一步分析，看看“石墨烯电池”这样一种技术，倒底在哪里存在问题，为什么存在问题。

“石墨烯电池”：是电池还是电容？

实际上，科研界的人对于“石墨烯电池”的相关研究已经很多。但是如果细心分析，就会发现，其实其中很大部分做的是超级电容：在此时，可以通过控制石墨烯的氧化状态等特性，利用其做成电极材料，基于其很大的比表面积的特性来实现快速的电化学反应，即大家耳熟能详的“快速充放”。类似文献有很多，这里贴一篇供参考：All-graphene-battery: bridging the gap between supercapacitors and lithium ion batteries : Scientific Reports : Nature Publishing Group

实际上，石墨烯相关的新闻里，快充放的占有大多数，但是真正敢说石墨烯电池容/能量有明显提升的却很少。这主要是因为，石墨烯的本征特性（二维纳米材料，高比表面积）决定了其在超级电容中应用的希望比在锂离子电池中要大一些。而超级电容器一般来说，功率密度高于锂离子电池可以实现快充放无误，但是其能量密度(1-20Wh/kg)远低于一般锂离子电池（100-220Wh/kg），通俗的说就是如果你用超级电容做电动汽车，充电很快，但是一次充电跑不远，续航里程会非常糟糕。

从上可见，即使是应用石墨烯相对靠谱一点的电容领域，在理论上其仍然存在能量密度不足这样的硬伤（声称石墨烯电池/电容可以容量提高30%以上的信息可信度都极低，因为一无反应机理，二无具体数据，三无产品实测分析结果）。

实际上，电容的高功率特性在汽车启动、电网与可再生能源平滑输出方面的用处很大（石墨烯电容在此可能会有较广阔的发展前景），但这时主要用的是其高功率的优点，如果需要能量密度还是离不开锂离子电池做主力。那如果是石墨烯用在锂离子电池中呢？

“石墨烯电池”：不曾存在，只是看起来很美

石墨烯在锂离子电池中的应用，主要可能的方向一是作为导电剂，二是作为负极电极嵌锂材料。其实在这两点上，石墨烯都是在和传统的导电炭黑/石墨竞争。因此，严格意义来说，我们讨论的并不是“石墨烯电池怎么样”，而是石墨烯用在锂离子电池中有没有前途这样的一个问题。

a、成本问题。传统导电炭黑和石墨都是论吨卖的（一吨几万元），论克卖的石墨烯哪天能降到这个价？即使按照某些媒体报道的石墨烯降低到3元/克，换算成吨也要300万元/吨。要知道，现在锂电池用的各种材料，都是一吨几万十万左右的东西，而且天天承受着社会各界要求降价的压力，用石墨烯替代完全不现实。

如果还能再便宜点，也有企业声称自己的石墨烯可以逼近一般炭黑和石墨的价格，OK，其实此时使用的材料就是石墨微片（可能有几十层），根本不是单层或数层的石墨烯。此时厂商出现的问题就是虚假宣传炒作概念，有违诚信欺瞒国家政府以及广大纳税人。

说个题外话，目前过于严苛的降价压力，导致了锂离子电池行业内材料、电池厂商生存压力过大，因此有许多厂商降低产品质量来求利润空间以生存。这种不健康的行业发展状态值得全社会警觉。

b、工艺特性不兼容。就是石墨烯比表面积过大，会对现有锂离子电池的分散均浆等工序带来一大堆工艺问题。如果电池厂调工艺会累死，又没有性能指标突破性进步带来的足够的利润空间驱动，谁愿意上这个技术？石墨烯表面特性受化学