帮你正确认识石墨烯和石墨烯电池

帮你正确认识石墨烯和石墨烯电池
“石墨烯”这个词是2010年底突然火起来的，因为那一年的诺贝尔奖颁给了石墨烯的制备和研究。

当时，给大家留下最深印象的就是，原来最早的石墨烯是用透明胶带一层一层的从石墨上撕下来的。

很多人发现靠日用文具都能获得诺贝尔奖，感觉真神奇。

而就在诺贝尔颁奖后的那个冬天，石墨烯发热腰带、石墨烯口罩、石墨烯裤衩儿等老百姓也能买到的石墨烯产品就纷纷上市了。

不久，也有了石墨烯电池。

1.石墨烯能做电池吗？
华为曾经就有两次和石墨烯电池挂上钩：
第一次是在2016年的世界电池大会上。

不过华为也专门说了，这个电池里使用石墨烯之后，可以增强电池的散热，这样电池在非洲这样恶劣的条件下工作时就不会过热。

这里并没体现什么神奇的电特性。

第二次是有媒体称华为要把石墨烯电池用在P40手机里，华为马上就辟谣了。

华为还是比较理工技术派的，这种典型的大忽悠词怎能随便笑纳呢？
石墨烯究竟能不能做成电池呢？
答案很简单，不能。

咱们在讲《电池储能：有序的代价》时就说过，称呼电池是什么电池，都是以正极材料称呼的，因为负极大家普遍用的都是石墨。

如果正极用的是钴酸锂，就是手机里的那种电池。

如果正极用的是三元锂、磷酸铁锂，就是电动汽车里用的比较多的。

所以，如果你说这个电池是石墨烯电池，那在它充放电的过程中对电子的输运起主要作用的就应该是石墨烯。

但是，石墨烯不可能承担这个作用。

严格来说，石墨烯就是一层碳膜，只不过它要求碳和碳之间全都以正六边形手拉手连接好，织成一张大膜。

这张膜有很多令人惊讶的特性，特别是能在二维平面导电，在这个平面上导热也特别好，特别快，而且还结实。

单层的一平方米的石墨烯膜，悬空，中间放一只猫，它都能兜住。

要知道，这是一个原子厚度的极薄的膜啊。

但是，所有这些神奇的特性都要求它只是一层碳膜。

这句话就是识别二阶科淆产品的关键。

如果它不再是碳了，或者不再是一层膜了，而是十层，那刚刚所有的神奇特性全部瞬间消失。

尽管十层也依然是极薄的，但那也没用，石墨烯顿时就变成了铅笔芯里的石墨。

石墨烯是按克卖的，价格还比黄金贵十倍；而石墨是按吨卖的，一吨两三千块钱，就是这么大的区别。

所以，即便一个锂电池里加了石墨烯，它也仍然是锂电池，是锂离子承担充放电的功能。

严格来说，是不可能有石墨烯电池的。

2.电池里可以加石墨烯吗？
那么，有没有往锂电池里加石墨烯的呢？
有，不过不多。

而且往正极加也行，往负极加也行，作用只有一个，就是用作导电剂。

我们具体举一个例子：
如果家里的车放了三个月都没有启动过，铅酸电池里的电量就会耗光，需要搭电才能启动。

你注意过搭电的细节吗？两个夹子，一个正，一个负，分别夹在电瓶的极耳上，极耳就是那个圆柱形的凸起。

启动的一瞬间，大约是150A的电流。

现在我问你，这150A的电流是从哪儿流过的？你说，是从那个圆柱形的极耳上流过的。

其实不准确。

准确的说，是从夹子夹住极耳的那几个锯齿状的接触点流过的。

实际上，接触面积就是那几个点，是很小的。

有一个参数叫作“接触电阻”，它对零件的电性能影响很大。

有的时候为了通过很大的电流，你准备了粗粗的导线、粗粗的接线柱，结果还是在接触点上产生高温，就是因为粗粗的线和粗粗的接线柱没有充分接触上，只有那么几个点接触是不行的。

所以，凡是大电流下的接头，都有严格的规范，规定如何设计接触方式。

有必要的时候还会用焊锡把接线柱和线材整个浸润一下、焊在一起，保证接触面积足够大。

这样，接触电阻就会下降很多。

刚刚说的石墨烯做导电剂，其实就是起这个作用的。

你要保证电池凸出的极耳和里面的正负极充分接触，最好也能增大接触面积，一条线接触就比一个点好，一个面接触就比一条线好，整个三维立体包裹就比一个面接触更好。

所以，电池里的导电剂都是各种粉末，越细越好，通常用的就是磨得很细的碳粉，你叫它石墨也行。

而石墨烯是比碳粉磨得还要细的碳粉，所以如果电池里加入了石墨烯，就能更保证接触面积，电池的导电效果就会更好。

但是，电池可是成吨成吨生产的，而正经的石墨烯一克三千块钱，怎么可能用得起呢？制造商添加导电剂，其实只是希望提高电池的性能，用磨得比专门用作导电的碳粉还细就可以了。

于是，买最便宜的那种所谓的“石墨烯”就行了，但那种石墨烯可能是二十层的。

所以，尽管他们声称自己的电池里加入了石墨烯，但这种场合下的石墨烯，在科学语境里是完全不能称之为石墨烯的，因为它早都没有石墨烯那些超神奇的特性了。

石墨烯在电池里的应用，目前能见到的也就只有这种了。

而且刚才说了，这里的石墨烯严格来说其实是石墨。

3.未来会不会有石墨烯电池？
随着技术进展，今后石墨烯会不会真的能成为一种电池呢？
不会的。

因为如果碳成了电池中承担电子输运的材料，石墨烯的结构肯定就不能再维持了。

而结构才是石墨烯的关键，一旦结构不再，石墨烯就消失了，它的神奇特性也就没有了。

作为辅助材料，石墨烯会不会对电池有更好的帮助呢？
当然会，不过也只是辅助性的。

比如，有些车企声称使用了石墨烯电池之后，8分钟充满电池的85%。

算一下就知道，充电速度大约是6C。

在这种情况下，充电时的电流肯定比较大，需要很好的导电剂完善接触的部分，所以石墨烯会有帮助。

但是，支持更大倍率充电，靠的其实并不是石墨烯，而是高倍率电池特有的设计，比如材料结晶度要很高、材料压实密度不能很大、电解液和隔膜的匹配等，支持60C充电速度的电池早在石墨烯出现之前就已经出现了。

总之，石墨烯在高倍率电池里能有所帮助，可能就是缓冲电极在充放电过程中体积的膨胀和收缩，外加作为更好的导电剂。

其他的用途都只在实验室，而且前景远不如改进电池正极材料更吸引人。

4.各种石墨烯忽悠产品
石墨烯是从2010年底火起来的，但今天，十年过去了，正经的石墨烯依然只是实验室里研究的对象。

我强调的“正经的石墨烯”，就是特指一到两层的那种，可以说几乎没有什么应用。

所以，如果你不是这个行业的业内人士，最近几年只要听到石墨烯这个、石墨烯那个，当作二阶科淆产品就没错了。

目前，各种石墨烯产品都是根据真正的石墨烯的特性编造出来的。

比如，为什么石墨烯会出现在帽子、手套、围巾、保暖腰带上呢？因为真正的石墨烯导热性超好，那我们就给它编到冬季的服饰里宣传。

为什么石墨烯会出现在裤衩、缆绳、防弹衣上呢？因为结实嘛。

刚刚说过，一层连厚度都看不出来的膜就能兜住一只猫。

所以做成裤衩，耐磨；做成缆绳，不断。

但裤衩是宏观物体，而超过五层原子厚度的石墨烯就跟石墨没有区别了，要想让石墨烯裤衩足够结实，就必须是单层的，那可是透明的。

你是打算穿透明裤衩吗？
为什么石墨烯会出现在电池上呢？因为电子迁移率高、电阻小。

注意，这些全都是在单层石墨烯膜上测到的，如果不是膜状结构，电子迁移率也不高，电阻也不小。

但对电池来说，这些是最好的特性，怎么能不借势吹一波呢？
电池的发展代表了科技基本盘的发展，因为它的背后是材料学、物理学的进展。

时间拉长，电池的性能平均每年能提升10%就非常不错了。

最近八年，之所以电池技术高速发展，是因为之前新能源汽车还没有成为主流产品，很多积累的材料学理论可以作为近期集中爆发的理论基础。

另外就是，除了电芯这个核心部件之外，电池里一直没有做优化的外部零件还有很多，比如电池的封装模式从钣金结构变成复合材料，就能减重上百公斤；改变极耳和电池外壳的尺寸，就能在能量密度上提升20%-50%。

而当基础理论的红利爆发完毕、电芯外可改进的空间优化完毕，市场进入充分竞争的时候，电池的能量密度能每十年翻一倍就很不错了。

但即便是突破，大概率也不会和石墨烯有什么关系。