華為的石墨烯電池，真的是電池技術(shù)的突破么？

　　在2016年臨近尾聲的時(shí)候，一則新聞算是徹底點(diǎn)燃了國內(nèi)媒體的神經(jīng)，“華為在第57屆日本電池大會上宣布在鋰離子電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大研究突破，推出業(yè)界首個(gè)高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池?！币粫r(shí)間，什么石墨烯商品化，什么國人驕傲等等贊譽(yù)紛至沓來，似乎不用華為就是不愛國，也似乎人們一直詬病的手機(jī)電池問題馬上就要解決了一樣。

　　然而，事實(shí)的真相，真的是這樣么？

　　讓我們先來看看石墨烯是什么。石墨烯這種材料，最近幾年被炒的風(fēng)生水起，算是時(shí)下最為熱門的材料了，沒有之一。那么石墨烯究竟是什么呢？先來看看石墨烯的分子結(jié)構(gòu)。

　　石墨烯分子結(jié)構(gòu)

　　看到這個(gè)分子結(jié)構(gòu)圖，有一定化學(xué)基礎(chǔ)的同學(xué)是不是覺得眼熟？這不是跟石墨一樣么？看看石墨的分子結(jié)構(gòu)吧。

　　石墨分子結(jié)構(gòu)

　　如果說二者的差別，那么就是石墨烯是單層結(jié)構(gòu)，而石墨則是多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。石墨烯這種材料，其實(shí)一直廣泛存在于石墨中，用石墨在紙上畫一道痕跡，留下的其實(shí)可能就是一層或者幾層的石墨烯。那么為什么這幾年石墨烯突然火熱了呢？這就要從石墨烯的結(jié)構(gòu)說起。

　　在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中被制備出來。

　　石墨烯在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和克斯特亞·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。因此，在隨后三年內(nèi)， 安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　明白了么？說白了就是單層的石墨烯本身并不穩(wěn)定，理論上是不能長時(shí)間穩(wěn)定存在的。石墨烯的存在打破了這樣的理論，在這個(gè)信息爆炸的時(shí)代，一項(xiàng)打破理論的材料注定了其身份的不凡。那么石墨烯材料的優(yōu)勢在哪里呢？

　　石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光“；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率*超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

　　應(yīng)該說石墨烯具備的各種優(yōu)異的特性，使得其在各行各業(yè)都有廣泛的使用空間，這也是這種材料在最近幾年里大規(guī)模發(fā)展的主要原因。據(jù)筆者所知，很多行業(yè)都在積極的推進(jìn)石墨烯的使用，但是真正將石墨烯用于突破原有技術(shù)瓶頸的，其實(shí)并不多，更多的只是為了增加一些產(chǎn)品的噱頭而已。那么華為的石墨烯電池是不是這樣呢？

　　想要了解這個(gè)，那么先要了解一下鋰電池的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。從鋰電池的結(jié)構(gòu)入手，了解石墨烯真正的作用，才能知道這是不是電池技術(shù)的突破。

　　鋰電池結(jié)構(gòu)圖

　　這是最為常見的18650型鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，對于其他形狀的電池，其實(shí)結(jié)構(gòu)上大同小異，不過是圓柱壓扁就是方的了。由這張圖可以看出，鋰電池內(nèi)部主要由正極，負(fù)極和隔膜卷繞而成。隔膜負(fù)責(zé)將正極和負(fù)極隔離，中間添加的電解液，則是起到離子傳輸作用。也就是說，鋰電池內(nèi)部，最為主要的部分就是正極，負(fù)極，隔膜和電解液。那么各個(gè)部分的主要材料都是什么呢？

　　正極材料：正極的主要材料是鋰離子材料或者聚合物材料，這個(gè)不同的電池會有一定的差別。鋰離子材料和聚合物材料通常都為粉體，配成漿料后涂覆在柔性導(dǎo)電基體上，這個(gè)基體大多數(shù)為鋁箔。

　　負(fù)極材料：負(fù)極的主要材料通常為石墨化材料，其實(shí)大部分使用的均為石墨粉體，適當(dāng)摻雜一些其他成分提高電池的性能。粉體材料同樣也需要配置成漿料后涂覆在導(dǎo)電基體上，這里的基體大部分采用的是銅箔。

　　隔膜材料：隔膜多數(shù)為聚烯微多孔膜，常見的如PP，PE等，也有多種材料復(fù)合膜。微孔的存在是為了鋰離子的運(yùn)動(dòng)，正常肉眼是不可見的。

　　電解液材料：電解液算是鋰電池中的重要材料之一，大多數(shù)為含有LiPF6的多種有機(jī)溶劑的溶液體系。

　　以上為鋰電池的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部主要材料，而從原理上說，鋰電池的工作原理則是正極的鋰離子析出后，通過電解液穿透隔膜遷移至負(fù)極，插入石墨層的間隙中，從而實(shí)現(xiàn)儲能，而在放電過程中則是反向移動(dòng)。從以上可以看出，石墨烯在鋰電池中最理想的運(yùn)用就是在負(fù)極材料部分。如果能利用摻雜石墨烯，提高負(fù)極材料的對鋰離子的接受程度，便可以在有限的體積或者重量的基礎(chǔ)上得到更高容量的電池，這也是人們普遍對于石墨烯鋰電池的期望吧。

　　而華為的石墨烯鋰電池，是不是這樣做的呢？

　　按照華為瓦特實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家李陽興的表述，此次華為新款石墨烯鋰離子電池的技術(shù)突破來自三方面：在電解液中加入特殊添加劑，除去痕量水，避免電解液高溫分解；電池正極選用改性大單晶三元材料，提高材料熱穩(wěn)定性；采用新型材料石墨烯，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間高效散熱。

　　從以上表述可以看出，華為的石墨烯鋰電池，其石墨烯添加后的作用僅僅是為了高效散熱！這意味著石墨烯其實(shí)并沒有作為主要的材料參與到鋰電池的整體反應(yīng)體系中。事實(shí)上說，利用石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，確實(shí)可以降低鋰離子電池在充放電過程中的發(fā)熱，甚至對于電池的快充也會有性能上的提高，但并不能有效的提高鋰離子電池的容量和其他性能。究其根本，華為的石墨烯鋰電池仍然屬于鋰電池，并不能算是創(chuàng)新型電池技術(shù)。說的不好聽一點(diǎn)，其實(shí)與電池表面貼上一層石墨散熱算是異曲同工吧。

　　那么華為是不是在吹牛，在炒作呢？其實(shí)從華為的技術(shù)積累來說，對于石墨烯的研究從幾年前已經(jīng)開始。對于這種能將技術(shù)實(shí)力延伸至上游產(chǎn)業(yè)的廠商，其實(shí)筆者還是頗為尊重的，畢竟在國內(nèi)這樣的廠商真的是少之又少。筆者查詢了一下華為的專利情況，發(fā)現(xiàn)其實(shí)華為在2013年便有了將石墨烯用于負(fù)極材料的專利，雖然目前專利還沒授權(quán)，但至少這個(gè)方向應(yīng)該是人們期望最高。

　　雖然目前的華為石墨烯鋰電池有些讓人失望，看起來似乎更像是一個(gè)噱頭，不過在已經(jīng)到來的2017年，或許華為會給我們帶來驚喜也說不定哦！