石墨烯很快又會(huì)攀上高點(diǎn)，包括“新材料‘十三五’規(guī)劃”在內(nèi)的多個(gè)石墨烯產(chǎn)業(yè)支持政策，有望在2016年上半年陸續(xù)出臺(tái)。這些政策的核心是推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)在“十三五”期間實(shí)現(xiàn)突破，并快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
“十三五”期間，石墨烯產(chǎn)業(yè)將逐步形成電動(dòng)汽車(chē)鋰電池用石墨烯基電極材料、海洋工程用石墨烯基防腐涂料、柔性電子用石墨烯薄膜、光電領(lǐng)域用石墨烯基高性能熱界面材料在內(nèi)的四大產(chǎn)業(yè)集群，全行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望突破千億元。
的確，石墨烯在過(guò)去幾年很搶眼，隨手翻翻有關(guān)石墨烯應(yīng)用在能源的文獻(xiàn)與專(zhuān)利就不勝枚舉，在具權(quán)威性Nano tech web網(wǎng)站中，2009年首次報(bào)導(dǎo)石墨烯材料，石墨烯在Nano tech web.org：best of 2009的5篇中便占了2篇，此后到2010年(2篇)、2012年(4篇)、2014年(1篇)，此網(wǎng)站的best of years，石墨烯都占有篇幅，而與電池相關(guān)的只有2010年一篇石墨烯超級(jí)電容的報(bào)導(dǎo)，其余都是石墨烯在導(dǎo)電、透明性、導(dǎo)線線材的應(yīng)用。
石墨烯應(yīng)用在鋰離子電池、超級(jí)電容器、鋰硫電池、燃料電池到太陽(yáng)能電池，屢見(jiàn)技術(shù)突破也已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，那為何迄今在市面上還看不到實(shí)用的商品？按理講，石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，常溫下其電子遷移率超過(guò)15000cm2/Vs，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只有10E-8Ωm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料，應(yīng)用其優(yōu)異特性應(yīng)該是有所作為吧？
很抱歉，事情并沒(méi)有那幺順利。在回答石墨烯怎幺突破現(xiàn)狀讓能源商品及早上市前，我這次換個(gè)方式先來(lái)澄清某些對(duì)石墨烯應(yīng)用于能源的誤解。
第一，石墨烯電池充電10分鐘跑1,000公里做得到嗎？
答：目前做不到。石墨烯聚合物材料電池其儲(chǔ)電量是無(wú)法達(dá)到目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的叁倍，以特斯拉汽車(chē)使用日本松下電池18650電池為基準(zhǔn)之電容量為3.4Ah，電池電容量需包含各材料組合而成，以目前正極最佳材料與石墨烯搭配也無(wú)法達(dá)到10Ah之電容量。塬因在石墨烯的振實(shí)和壓實(shí)密度都非常低，不適合取代石墨類(lèi)材料取代鋰離子電池負(fù)極。
既然單獨(dú)使用石墨烯作為負(fù)極不可行，那至少可發(fā)展石墨烯復(fù)合負(fù)極材料吧。目前較可靠之石墨烯負(fù)極之電容量可達(dá)540mAh/g(Honma，2008)，其充放電曲線與循環(huán)壽命分析(如圖1所示)。此外，石墨烯工藝中修飾C60與CNT形成復(fù)合材料，可將材料之電容量分別提升730及784mAh/g，也證實(shí)碳材具較大層間距時(shí)能有較佳之儲(chǔ)電能力。
第二，石墨烯在鋰離子電池最可能發(fā)揮作用的領(lǐng)域只有兩個(gè)：直接用于負(fù)極材料和用于導(dǎo)電添加劑嗎？
答：太早下定論。下面會(huì)告訴大家目前的制約因素，及該怎幺突破。切記，石墨烯有600多種，網(wǎng)絡(luò)上說(shuō)石墨烯只有單層才符合是過(guò)時(shí)的信息，否則歐盟怎幺會(huì)認(rèn)同這個(gè)數(shù)字呢？每種石墨烯都有可應(yīng)用的范疇，只要你具備更多石墨烯材料組合，就代表你比別人擁有更高的成功率。
第三，石墨烯在超級(jí)電容中最有可能發(fā)揮作用的特性有哪些？
答：相較于傳統(tǒng)電容電極，石墨烯超級(jí)電容有四大特色：
1.表面積大，有利于產(chǎn)生高能量密度；
2.超高導(dǎo)電性，有利于保持高功率密度；
3.化學(xué)結(jié)構(gòu)豐富有利于引入贗電容，提高能量密度；
4.特殊的電子結(jié)構(gòu)可優(yōu)化結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。這些性質(zhì)使其成為次世代電極材料的佼佼者。
我還是看好超級(jí)電容能取代鋰離子電池，但誰(shuí)知道呢？我們正朝把超級(jí)電容的能量密度提高到接近鋰離子電池而努力，但鋰離子電池產(chǎn)業(yè)也不是一朝一夕就建成的，兩者性能的提升都有其正面意義的。
第四，石墨烯在太陽(yáng)能電池中最有可能發(fā)揮作用的領(lǐng)域有哪些？
答：來(lái)自西班牙Universitat Jaumel和英國(guó)Oxford University組成的光伏和光電器件組(DFO)的研究團(tuán)隊(duì)近日開(kāi)發(fā)了一個(gè)光電池設(shè)備，使用基于石墨烯材料制成的太陽(yáng)能電池，可使太陽(yáng)能電池的有效轉(zhuǎn)化率達(dá)到15.6%。該團(tuán)隊(duì)的研究論文已經(jīng)發(fā)表在《Nano Letters》期刊上。他們將二氧化鈦和石墨烯結(jié)合在一起，當(dāng)做電荷收集器。
接著他們使用鈣鈦礦作為太陽(yáng)光吸收器。除了改善了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率之外，該團(tuán)隊(duì)稱(chēng)這個(gè)設(shè)備還是在低溫條件下制造的。通過(guò)內(nèi)嵌幾層材料，研究團(tuán)隊(duì)還可以使用基于解決方案的配置技術(shù)在溫度低于150℃的地方處理它。這不僅意味著更低的潛在生產(chǎn)成本，而且意味著這項(xiàng)技術(shù)還可能用在柔性塑料上。
第五，石墨烯在燃料電池最有可能發(fā)揮作用的領(lǐng)域有哪些？
答：Rao(2008)研究了石墨烯(3~4層)對(duì)氫氣和二氧化碳的吸附性能。對(duì)H2而言，在100bar，298K條件下，最高可達(dá)3.1wt%；對(duì)，在1bar，195K條件下，其吸附量為21~35wt%。理論計(jì)算表明，如果采用單層石墨烯，其H2吸附量可達(dá)7.7wt%，完全能滿(mǎn)足美國(guó)能源部(MOE)對(duì)汽車(chē)所需氫能的要求(6wt%)。
第六，中車(chē)的石墨烯超級(jí)電容真的算是突破嗎？
答：該公司3伏╱12000法拉超級(jí)電容依公式1╱2*C*V^2得出電位能等于54KJ，換算為15wh，并沒(méi)有超出目前技術(shù)水平太多。一般的18650電池容量能做到3100mAh左右，這樣算下來(lái)能量密度大約在700Wh/L，超級(jí)電容沒(méi)有做到200kw/kg就沒(méi)有機(jī)會(huì)取代鋰電池。
第七，有所謂的“石墨烯電池”嗎？
答：所謂石墨烯電池并非整個(gè)電池都用石墨烯材料制作，而是在電池的電極使用石墨烯材料，所以稱(chēng)為“石墨烯電池”并不恰當(dāng)。石墨是目前鋰離子電池中最常用的負(fù)極材料，充電時(shí)，Li嵌入到石墨層間形成插層化合物，Li完全嵌入時(shí)，每個(gè)石墨層都嵌入一層Li，對(duì)應(yīng)化合物L(fēng)iC6，理論比容量為372mAh╱g。當(dāng)每片單層石墨都以雜亂無(wú)章的方式排列，則在單層石墨的兩側(cè)表面都可以結(jié)合Li，理論比容量提高了一倍，即744mAh╱g。由于石墨烯的缺陷位、片層邊緣及石墨烯堆積形成的微孔結(jié)構(gòu)都可以?xún)?chǔ)存Li。因此，在理論上石墨烯電極可能有超過(guò)石墨兩倍的比容量。
如果將石墨烯和SnO2，Mn3O4，CuO等電導(dǎo)率比較低的正極、負(fù)極納米材料進(jìn)行復(fù)合，如Li4Ti5O12、TiO2、LiFePO4等，就能提高鋰離子電池的循環(huán)性能。中科院金屬研究所在PNAS發(fā)表論文，將正極材料LiFePO4和負(fù)極材料Li4Ti5O12分別與石墨烯復(fù)合，制備了LiFePO4-石墨烯╱Li4Ti5O12-石墨烯為電極的具有高充放電速率的柔性鋰離子電池，石墨烯做為鋰離子及電子的通路，同時(shí)發(fā)揮導(dǎo)電添加劑和集流體的作用。
第八，石墨烯用在鋰電池中導(dǎo)電添加劑及隔膜有何實(shí)質(zhì)幫助？
答：1)導(dǎo)電添加劑：如果將石墨烯和炭黑混合后做為導(dǎo)電添加劑加入鋰電池，可以有效降低電池內(nèi)阻，提升電池倍率充放電性能和循環(huán)壽命，而且電池的彎折對(duì)充放電性能沒(méi)有影響。
2)隔膜：大部分商業(yè)化的鋰電池隔膜都是利用PE，PP，其他聚烯烴及它們的混合物或者共聚物，通過(guò)干法或濕法工藝制備得到。在鋰電池中，隔膜吸收電解液后，可隔離正、負(fù)極，以防止短路，但同時(shí)還要允許鋰離子的傳導(dǎo)。而在過(guò)度充電或者溫度升高時(shí)，隔膜還要有高溫自閉性能，以阻隔電流傳導(dǎo)防止爆炸。不僅如此，鋰電池隔膜還要有強(qiáng)度高、防火、耐化學(xué)試劑、耐酸堿腐蝕性、生物兼容性好、無(wú)毒等特點(diǎn)。我們正進(jìn)行以氧化石墨烯通過(guò)靜電紡織方式作成隔膜，在實(shí)際應(yīng)用中，用作隔膜的高分子電阻率在10E12~10E14Ωcm量級(jí)值得一試。
第九，當(dāng)2017年石墨烯再降到每公斤80美元時(shí)，就可以讓電池市場(chǎng)快速導(dǎo)入應(yīng)用的說(shuō)法正確嗎？
答：錯(cuò)的很離譜。提出這點(diǎn)觀點(diǎn)的業(yè)者是還停留在量產(chǎn)能力就等于應(yīng)用技術(shù)成熟的迷思，我們的制備成本早就低于每公斤80美元，重點(diǎn)是符合應(yīng)用技術(shù)的客制化石墨烯，這類(lèi)公司只能生產(chǎn)一二類(lèi)石墨烯怎幺做能源產(chǎn)業(yè)呀，難怪從2009年就投入鋰電池開(kāi)發(fā)一直沒(méi)有甚幺成效。
