石墨烯電池是什麼？石墨烯超級電池主導未來？

被寄予厚望的「新材料之王」石墨烯總是話題不斷。前段時間，中科院上海硅酸鹽所研究團隊研發的石墨烯電池更是引發外界廣泛關注。該所研究員黃富強帶領的研究團隊與北京大學、美國賓夕法尼亞大學合作，合成出一種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯。

該材料具有極佳的電化學儲能特性，除了超快速充放電，它還可以循環充電5萬次以上，有望為電池行業帶來革命性變化。該成果發表在美國《科學》雜誌上。

「超級電池」看好石墨烯

「從電動汽車誕生那一天起，科學家們就一直在探索用各種新材料和新技術，來提高電池的續航里程。」河北大學新能源汽車研究中心王濤博士介紹，電動車有100多年的歷史，比燃油車還早半個世紀。

據了解，電動車的歷史可追溯到1834年，那一年蘇格蘭人羅伯特·安德森製造了第一輛電動汽車，它由一組不可充電的乾電池驅動，只能行駛一小段距離。1881年，法國工程師古斯塔夫·特魯夫發明了以可充電電池——鉛酸電池為動力的電動車。19世紀末到20世紀初，電動車進入到發展的黃金時代，法國、英國和美國相繼出現電動車製造公司，電動汽車一度佔領了40%的汽車市場。

然而，20世紀20年代后，內燃機技術不斷更新，再加上燃油汽車行駛里程是電動車的3倍，且使用成本低……這種背景下，電動車很快從歐美汽車市場中消失了。

「鉛酸電池體積大、質量重、充電時間長、續航里程較短，再加上電力傳動系統的製造成本過高等因素困擾，被市場淘汰也是必然。」王濤表示，20世紀80年代至90年代，日本和美國的一些汽車廠家也生產過一系列電動車，但由於大都採用鉛酸電池，很難取得質的突破，最終都是曇花一現。

進入新世紀以來，環境污染、能源日漸枯竭等問題不斷加劇，電動汽車再次成為各大車企重點關注的對象。而且隨著鋰離子電池的引入，電動汽車進入又一個飛速發展的黃金時期。

「與鉛酸電池相比，鋰離子電池在續航里程、充電時間、電池壽命等方面，都有了很大的提高，但仍無法達到與燃油汽車相同的性能。」王濤介紹，目前市面上電動汽車，除了售價昂貴的豪華品牌以外，純電動車所標稱的續航里程都在300公里以內。

目前，越來越多的科研院所和汽車企業正在研發下一代超級電池，力圖使電動汽車取得突破性進展。

「電池含有正負極、隔板和電解質。它們由不同的材料組成，而且不同的材料組合可以讓電池貯存不同數量的能量。」王濤表示，電池的升級換代，往往體現在電池材料的更新上。目前，許多研究機構正在試圖用新材料研發超級電池，而石墨烯就是其中一種。

據介紹，石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。它是一個網狀結構，且具有極限的薄度，電荷在其中可以快速遷移。也正因如此，許多研究者將石墨烯看作是一種比較理想的蓄電池電極材料。

電池性能不斷突破

「目前，石墨烯已經在超級電容器、鋰空氣電池等儲能材料的研發中得到應用。」王濤介紹，中科院上海硅酸鹽所研究團隊就是利用了石墨烯材料高比表面積、優良導電率和穩定化學結構特點，合成了超級電容器的新型電極材料。

超級電容器，是介於傳統電容器和電池之間的一種電化學儲能裝置。與電池類似，超級電容器主要由電極、電解液、隔膜和集流體組成，其中的電極是決定超級電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極是雙電層的電荷存儲機理，其比表面積大、穩定性好、功率密度高但電容量小（《250法拉/克），而且現有儲能器件中所使用的電解液通常有毒有害、易燃易爆、安全穩定性差。

為破解這一難題，中科院上海硅酸鹽所研究團隊展開持續攻關，通過反覆試驗，合成了氮摻雜有序介孔石墨烯，該材料是石墨烯廣義家族中的一種新結構，具有優異的電化學儲能特性，電容量可達到855法拉/克。

而且，該團隊還研究了電極材料中結構與性能之間的關係，發現氮原子在石墨烯中的結構不僅影響電極材料的氧化還原電位，還決定了電極材料的電容量。這一重要發現為科研人員設計高電化學活性的電極材料提供了新的思路。

事實上，石墨烯材料已被汽車電池研究專家廣泛採用。日前，劍橋大學化學教授克萊爾格雷和她的團隊利用石墨烯材料攻克了鋰空氣電池開發中的技術難關，相關成果也發表在《科學》雜誌上。

據介紹，鋰空氣電池通過鋰和氧結合成過氧化鋰實現放電，再通過施加電流逆轉這一過程而完成充電。如何可靠地令上述反應反覆發生是該技術面臨的挑戰。

克萊爾格雷用石墨烯構造高度多孔、海綿狀的碳電極，再加入一些添加劑使之保持化學穩定，解決了之前的鋰空氣電池易爆炸的問題。

而且如果能把該技術從實驗室的演示品轉變為商品，那麼汽車只充一次電就能從倫敦駛到愛丁堡（約650公里），所用電池的成本和重量卻只有現在鋰離子電池的1/5。

此外，韓國三星電子也在進行旨在硅表面添加石墨烯塗層的硅基陽極物質的研究。他們通過在碳化硅電極的表面塗石墨烯塗層，有效地擴展了陽極的表面積。同時與陰極所使用的鋰鈷氧化物進行組合，使電池的充電電源的單位體積能量密度有較大的提高，其壽命也增加到鋰離子蓄電池的1.5至1.8倍。

「這些研究成果都表明，在電極中添加石墨烯材料，可以明顯改善電池的充電速度、循環穩定性、使用壽命和能量密度。」王濤表示，不管石墨烯能否成為下一代電池的正負極材料，合理正確使用石墨烯這一新材料，能夠促進電池向更高性能發展是業內一致認可的。

真正上路尚需時日

石墨烯材料在電池上的應用前景毋庸置疑，然而石墨烯電池真正從實驗室走向產業化，還有很長的路要走。