“石墨烯电池”自摆乌龙？

■本报记者 李勤

石墨烯技术在电池上的大规模商用还需要一个推广过程。图片来源：百度图片

最近，关于石墨烯电池的各种消息沸沸扬扬。

2015年12月中旬，中科院上海硅酸盐所的研究团队在《科学》上发文指出，其研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯。一些媒体盛赞：“该材料具有极佳的电化学储能特性，可用作电动车的‘超强电池’，这种电池的最大亮点就是充电7分钟，行驶35公里。”

12月底，华为终端公司手机产品线副总裁李昌竹又在2015年移动智能终端峰会上透露，华为可能在2016年下半年商用石墨烯电池技术。

但是，这些新闻随后又被“打脸”。有人认为，所谓石墨烯电池商用不过是炒作。也有人认为，一些媒体误读了中科院上海硅酸盐所的成果——它根本不是电池，也没有含有石墨烯材料。

真相究竟如何？

他们都没说——这是石墨烯电池

据媒体报道，之前在日本举办的一次研讨会上，华为已经演示了“这种使用纳米、石墨烯的相关技术，可以让3000毫安时电池在5分钟之内充满50%电量。这种技术可能在明年下半年商用。”

《中国科学报》记者就该消息与华为公司取得了联系，对方表示：“内部尚无法提供更多的信息”。他提供的唯一公开消息是：2015年10月23日，华为宣布与曼彻斯特大学合作研究石墨烯的应用，共同开发ICT领域的下一代高性能技术。该项目合作期初定为两年，研究如何将石墨烯领域的突破性成果应用于消费电子产品和移动通信设备。

记者注意到，2015年6月，韩国财经杂志Business Korea网络版刊文称，三星研究团队已经开发了一项技术，通过在电池的硅表面覆盖石墨烯制作一种新的“硅阴极材料”，把电池的能量密度提高到现有电池的2倍。

不过，在上述两则新闻中，并没有人直接称呼他们的研究成果为“石墨烯电池”。

而上海硅酸盐所的官方网站给出的消息是：“中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄富强带领的研究团队与北京大学、美国宾夕法尼亚大学的科研人员合作，合成了一种有序介孔少层碳的新型材料。”

上海硅酸盐所称：“他们获得的最新研究结果表明，该类材料的能量密度还可以通过拓展电化学窗口进一步提高，获得更高能量密度的超级电容器。”

第一电动网有作者撰文认为，《科学》杂志上的这篇论文没有提到石墨烯，而是碳材料，且超级电容器被媒体称为“电池”不妥。

事实上，超级电容器（也称电化学电容器）确实并非电池，而是介于二次电池和传统电容器之间的一种电化学储能装置，在上海硅酸盐所发布的新闻中，也从未给出“这是电池”的结论，更不用提“这种电池的最佳效果就是充电7分钟，行驶35公里”。但是，该材料确是石墨烯材料无疑。

《中国科学报》记者联系到黄富强，他回复：“宏观上这种材料是三维结构，碳的sp2程度高达98%，少于5个原子层。我们在投稿过程中一直采用‘介孔石墨烯’的名称，最后出版时改用少层碳。原因在于，有一人提出石墨烯是二维的平面型结构，并建议也可叫作‘高度石墨化的三维微孔少层碳材料’。大家从不同角度会得出不同的结论，然而实质是同一个。”

介孔石墨烯是石墨烯广义家族中的一种新结构，具有优异的三维微观导电性能，经氮掺杂后具有优异的电化学储能特性。

石墨烯电池疑炒作

记者在采访复旦大学高分子科学系教授卢红斌、哈尔滨工业大学化工学院应用化学系教授袁国辉等人时发现，他们都不同意一些商家和媒体将石墨烯材料应用在电池中就将其称为“石墨烯电池”。

“在电极材料中添加石墨烯后就将电池称为‘石墨烯电池’显然不妥，类似于之前在商业上将纳米颗粒添加到塑料中后制成的洗衣机称为‘纳米洗衣机’，显然带有炒作意味。”卢红斌说。

传统电池的命名一般是遵循“正极—负极活性材料”的规则。袁国辉指出：“锂离子电池充放电时，成流反应是锂离子在正、负极材料中的嵌入和脱出的贡献。电极中添加石墨烯材料时，石墨烯的主要作用是提高电极的导电性，尽管可以提高电池的性能，却不是锂离子电池正负极的活性材料。”

因此，他们认为，应该称之为“锂离子电池”，或最多称之为“石墨烯改性的锂离子电池”。

“‘石墨烯电池’应该是通过添加石墨烯能够显著改善锂电池的充电速度、循环稳定性、使用寿命、甚至能量密度的高性能电池，最好有明确的技术参数作为参考。如果仅通过采用石墨烯名称来提升产品的知名度或关注度，以此提高销量，可能会产生误导。”卢红斌指出。

虽然“石墨烯电池”这一称呼颇有些“自摆乌龙”，但是业内专家却看好石墨烯材料在电池上的应用，尤其是在电极上发挥所长。

目前，业内采用的富锂正极材料通常导电性不佳，对电极而言极为不利。为提高正极电导率，通常会在正极颗粒表面沉积导电层，如包碳处理，并通过添加导电添加剂来改善正极电导率。电极导电性对于电池的充电速度、循环稳定性和使用寿命都有着决定性的影响，不佳的导电性还会增大电池发热量，加速电池性能恶化。

因此，有相当多的工作致力于通过在正极材料中添加石墨烯来提高电极中的电荷传输效率和传热效率。石墨烯是一种具有单个碳原子厚度的二维碳膜，其中碳原子之间存在共轭结构，电荷在其中可以快速迁移。也正因如此，石墨烯也为发展其他新型电极材料提供了可能。

短期商用现实吗

涉及到石墨烯与电池被“联姻”并商用，大家最关注的是技术、成本等问题是否已经解决。

在2015北京测试服务业发展高峰论坛间隙，一位从事新材料检验检测的人士告诉《中国科学报》记者，目前国际、国内都没有具体关于“石墨烯电池”的参数标准，而且他所了解到的信息是前期研发成本投入巨大，仅用在手机电池等产品上的“性价比”待评估。

卢红斌也提到了“性价比”的问题。他认为，石墨烯改进的电池包括锂离子电池短期内商业化应用的可能性还是很大，关键在于提高性价比。现有的电池技术亟待解决充电速度、续航里程、稳定性和循环寿命等问题，石墨烯的独特性能可望提供新的解决方案和路径。

袁国辉则质疑，石墨烯技术应用在消费类电子产品用锂离子电池上“意义不大”，因为它在提升小型消费类电子产品电池性能和容量上效果有限，而且快充模式本身会影响电池寿命。相反，他更看好石墨烯材料和技术在动力型锂离子电池上的应用，比如新能源车，能够带来显著的变化。

记者了解到，石墨烯技术在电池上进行商用还有两大关键技术突破点：一是优化石墨烯结构以及石墨烯使用方法，使得现有锂电池的性能获得一定程度的改善；二是寻找新的活性材料，或者基于新的原理实现储能设备性能的倍增。

石墨烯技术在电池上的大规模商用还需要一个推广过程。一些电池制造企业还需要对石墨烯技术进行验证，一旦接受后对现有产品线的改造也需要时间。但是，袁国辉指出：“2016年应该是石墨烯技术应用在电池上的推广元年。”

此外，此前有传闻称西班牙科尔瓦多大学与某公司合作研究的石墨烯电池可望实现8分钟充电，行驶1000公里。听到此消息后，石墨烯产业联盟在随后参加欧洲举办的石墨烯国际大会时也专门前往该机构进行了核实，但发现此信息主要是基于实验室结果推算得出，该项技术是否具备宣称的性能现在尚未得到实践证实。

“仅根据实验室中的某些结果进而推算使用效果反映了人们心中的迫切希望，但还须验证安全性、利用稳定性、循环寿命等一系列问题。”卢红斌强调，“但石墨烯的快速规模化必然会加快包括锂离子电池在内的储能设备技术发展的步伐。”