充電5分鐘，通話N小時。”近些年，這句廣告語已經(jīng)成為某品牌打出的金字招牌，如果走到手機銷售柜臺，熱心的導(dǎo)購還會告訴你，這是廠家使用了“石墨烯電池”的緣故。
4月，剛剛從日內(nèi)瓦車展回國的正道汽車，再次攜旗下三款增程式電動概念車參加上海車展，“綜合續(xù)駛1000km”、“石墨烯超級電池”，是它此次亮相車展期間最醒目的標(biāo)簽。
8月，又一款據(jù)稱搭載石墨烯電池的電動汽車Fisker將亮相于世，這家來自美國的電動汽車制造商表示采用石墨烯技術(shù)的新車能夠延長續(xù)航里程、電池壽命，同時縮短充電時間。這則消息傳入國內(nèi)后，媒體稱之為：里程碑式的黑科技。
石墨烯又熱了，這一次是因為動力電池。其實，石墨烯的熱度似乎又從未降低過，但凡涉及石墨烯的投資領(lǐng)域，必定引來大量關(guān)注。這是一種怎樣神奇的物質(zhì)？揭開石墨烯的面紗，我們試圖去洞悉它的真相。
最薄卻最堅硬的碳
石墨烯第一次“熱”起來，是在其發(fā)現(xiàn)者英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得諾貝爾獎的2010年。
兩位科學(xué)家研制石墨烯的過程很有意思，他們將石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然后用塑料膠帶粘住薄片的兩側(cè)面，撕開膠帶，通過反復(fù)的粘貼與撕開，獲得了越來越薄的石墨片，直至最終成為單原子層的石墨烯。“通俗地講，紙上的鉛筆痕跡如果不斷地被摩擦，那么最后可能就會得到石墨烯。”中國汽車技術(shù)研究中心試驗研究所新能源實驗室主任王芳在向記者解釋這一物質(zhì)時，做了一個淺顯的說明，同時也揭示了其作為碳元素的本質(zhì)。
“石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的準(zhǔn)二維材料，所以又稱之為單原子層石墨。”在解釋石墨烯的特性時，王芳談道，“作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄的材料，石墨烯的強度也最大。”比如，面積為1平方米的石墨烯層片可承受4 千克的質(zhì)量，其強度約為普通鋼的100倍，用石墨烯制成的包裝袋，可以承受大約2噸的重量。石墨烯在室溫下導(dǎo)電導(dǎo)熱性能很強，電阻率甚至比銅或銀還要低，而它在室溫下的熱導(dǎo)率是硅的36倍、銅的10倍多。
自然界中的奧妙是無窮的，也正是由于具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高強度和高剛度，石墨烯在業(yè)內(nèi)被冠以“黑金”或者“新材料之王”的頭銜。“它使得一些此前只能在理論上進行論證的量子效應(yīng)可以通過試驗進行驗證，也使得一些原來需要在巨型粒子加速器中進行的試驗，如今可以在小型實驗室內(nèi)用石墨烯進行。石墨烯還具有所謂的量子霍爾效應(yīng)，這種諾貝爾獎量級的重要效應(yīng)在以往是需要在極低溫下才能顯現(xiàn)的，石墨烯卻能將它帶到室溫下。這是石墨烯給人類物理學(xué)研究帶來的特殊意義。”王芳說。
近年來，隨著新能源汽車和移動通訊設(shè)備的發(fā)展，如何改進和提升各類動力和儲能電池材料的性能，成為業(yè)內(nèi)一直以來關(guān)注的一個焦點問題。記者在與多位業(yè)內(nèi)專家交流時了解到，將石墨烯作為基礎(chǔ)材料添加到現(xiàn)有的各類電池材料中，已經(jīng)成為國內(nèi)各主流電池企業(yè)采用的一種普遍的電池生產(chǎn)方式。
據(jù)王芳介紹，目前看來，在主流應(yīng)用技術(shù)中，石墨烯所扮演的角色主要有三：一是直接作為正-負極材料；二是作為導(dǎo)電添加劑添加到正負極電極材料中或?qū)﹄姌O材料進行復(fù)合改性處理，提高電極導(dǎo)電性和充放電倍率性能；三是作為集流體或者集流體涂層，其主要作用在于提高電池功率特性。其中，石墨烯直接作為負極材料時，因其表面特性極易受到外界影響導(dǎo)致穩(wěn)定性極差，存在首次效率低下等問題，不能滿足鋰離子電池的性能需求，所以在鋰離子電池上的應(yīng)用主要為后兩種方式。"
一位電池企業(yè)負責(zé)人向記者描述石墨烯在負極材料中的工作原理時談道：“如錫基、硅基等高容量型的鋰離子電池負極材料，存在的問題是隨著鋰離子反復(fù)地嵌入和脫出，電極在充放電過程中，體積變化較大，活性材料剝落，使得電極活性物質(zhì)之間失去電接觸，導(dǎo)致電極表現(xiàn)出較差的循環(huán)性能。而石墨烯憑借其獨特的二維薄片結(jié)構(gòu)，在充放電過程中體積變化很小，可有效抑制高容量負極材料的體積膨脹，并阻止負極材料的團聚現(xiàn)象。”
更像電池車間里的“味精”
在詳細介紹了石墨烯優(yōu)異的物理和化學(xué)特性之后，該負責(zé)人話鋒一轉(zhuǎn)：“盡管如此，石墨烯在電池材料中仍然被視為輔助材料，使用比例通常不超過所有材料成分的3%，是實實在在的‘配角’，其地位就像做菜時使用的味精。”
石墨烯對電池性能的改善是否真如味精一般？假若果真如此，那么文首所提及的廣告語和電動車企的“續(xù)航宏圖”該如何兌現(xiàn)呢？帶著這一問題，記者試圖與國內(nèi)幾家研發(fā)石墨烯電池的企業(yè)取得聯(lián)系，以求獲得答案。
然而，與石墨烯在社會上產(chǎn)生的熱度形成鮮明對比、同時也給記者留下深刻印象的卻是，石墨烯生產(chǎn)企業(yè)負責(zé)人在面對記者一系列問題時，卻表現(xiàn)出異常的謹(jǐn)慎與冷靜。在經(jīng)過多重打聽之后，多家相關(guān)企業(yè)“不愿多談”與“暫時保密”的回復(fù)，讓記者一時間感到更為不解。
興許確是出于技術(shù)保密工作需要，一家來自山西的石墨烯材料研發(fā)企業(yè)代表甚至警惕地詢問記者此次調(diào)研“最終目的是什么”，表明采訪意圖后，最后的對話仍然無果而終。
又或者，那些真正長期使用石墨烯的電池生產(chǎn)企業(yè)能夠解答一二？
日前，記者帶著疑問來到天津力神電池研究院，研究院基礎(chǔ)研發(fā)部部長王欣全從話題一開始就明確表明態(tài)度，石墨烯在這里就是他們的“味精”，準(zhǔn)確地講，當(dāng)前甚至沒有所謂的“石墨烯電池”一說。“這是我們作為一家動力電池企業(yè)的基本論調(diào)。”在他身后，從電池生產(chǎn)車間發(fā)出的機器工作聲音一直未有停歇。
在王欣全看來，與其去揭開石墨烯的神秘面紗，這家年產(chǎn)能已達30億瓦時的電池企業(yè)卻更愿意把研究精力集中在如何提高鋰離子電池比能量上：他們已經(jīng)把300瓦時/公斤的電池比能量當(dāng)作2020年目標(biāo)。王欣全坦言：“這是一個極限，對我們來說壓力很大。”
從對話中記者發(fā)現(xiàn)，盡管面臨上述挑戰(zhàn)，力神也并未在石墨烯這種材料上尋找到突破口。“對于提高電池性能，石墨烯確實會產(chǎn)生作用，但是不會顛覆電池技術(shù)。力神從2015年就已開始接觸石墨烯，在所有產(chǎn)品種類中，石墨烯的使用比例僅為30%。”
另一家電池企業(yè)的代表，超威研究院院長劉孝偉向記者表明了相同觀點：“石墨烯本是一種納米碳材料，其化學(xué)性能不會有太大改變，所以它在電池中的作用是非常有限的，只是一種輔助材料而已。”他告訴記者，即便是生產(chǎn)出“烯王”的東旭光電，也沒有將旗下任何一款電池產(chǎn)品定義為“石墨烯電池”。
從鉛酸電池、鋰鎳電池到鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池，不難發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，那就是它們都是以其中的主要材料或者核心材料得到命名的。“但是‘石墨烯電池’這種提法確實不科學(xué)，因為它并沒有作為嵌鋰電極材料運用于電池中，只是作為輔料應(yīng)用，電池正極材料仍然采用三元材料、磷酸鐵鋰或者錳酸鋰等活性材料。”王芳表示。
以添加劑的形式存在于電池中，其主要作用在于改善功率特性——這是記者從多數(shù)電池企業(yè)負責(zé)人口中得到的答案。
此外，一則年初的舊聞不得不提。1月14日，2017中國電動汽車百人會論壇上，國家科技部部長萬鋼在主旨發(fā)言中提到：“石墨烯材料正在逐漸地進入電池的應(yīng)用中。有的朋友跟我說，我們現(xiàn)在用的是石墨烯電池，其實說用了石墨烯是對的，但是全部用石墨烯來做電池，似乎從科學(xué)意義上不太準(zhǔn)確。”
從時間上看，這應(yīng)該是國家相關(guān)部委領(lǐng)導(dǎo)關(guān)于石墨烯電池的最新論斷。
誰在“炒作”？
盡管如此，石墨烯在行業(yè)內(nèi)依然很“火”。這是資本市場的炒作行為還是媒體在理解上偏差導(dǎo)致的不實 報道？
還是從手機說起。以國產(chǎn)手機“頭牌”華為為例，自從2015年宣布和英國曼徹斯特大學(xué)的國家石墨烯研究院合作以來，華為時常對外釋放出關(guān)于石墨烯研發(fā)的新進展。尤其是在去年底，一則帶有“華為”、“石墨烯”、“鋰電池”三個關(guān)鍵詞的新聞更是引人關(guān)注。當(dāng)時的報道如下：
“12月1日，華為中央研究院瓦特實驗室在第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)界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池。實驗結(jié)果顯示，以石墨烯為基礎(chǔ)的新型耐高溫技術(shù)可以將鋰離子電池上限使用溫度提高10℃，使用壽命是普通鋰離子電池的兩倍。”
有意思的是，根據(jù)業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，部分媒體在傳播這則消息時卻將標(biāo)題關(guān)鍵詞直接鎖定為“石墨烯電池”，更有甚者提出“石墨烯商業(yè)化時代到來”。而根據(jù)華為公開的資料來看，石墨烯只是作為該款電池中的散熱材料，僅用于提升鋰離子電池散熱效果，并且電池電極上也并沒有使用石墨烯材料提高導(dǎo)電性，更沒有直接使用石墨烯材質(zhì)制作電池主體。有的觀點認為，將其稱為“石墨烯基鋰離子電池”也有些牽強。
中國科學(xué)院寧波材料所研究員劉兆平明確表示：“企業(yè)或媒體放大石墨烯作用的做法是不對的，也是不客觀的。就目前的電池體系來看，石墨烯不可能在現(xiàn)有體系的電池上產(chǎn)生變革性影響，從實驗室到工程應(yīng)用再到商業(yè)化還有很長的路要走。高校和科研機構(gòu)的科研人員在實驗室得出的數(shù)據(jù)和實際的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用還有差距，容易讓人曲解、誤解，很可能只是概念，沒有通過工程化開發(fā)，離實際應(yīng)用距離甚遠。目前冠以"石墨烯電池"等相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品大多涉嫌炒作和忽悠。"
再回到汽車領(lǐng)域。
在一份給本報記者的書面回復(fù)中，正道集團就如何看待目前資本市場對石墨烯電池進行的“炒作”行為，提出觀點認為：“任何領(lǐng)域，特別是新興領(lǐng)域，都會引起資本市場的關(guān)注，這是正常的。石墨烯電池具備無限的潛力，眾多投資者的介入，對于技術(shù)的發(fā)展與推動，肯定有積極意義。”
不過，在王欣全看來，力神與各類石墨烯供應(yīng)商打交道時，卻必須具備一雙“火眼金睛”。“有一些供應(yīng)商會把石墨烯拿給我們試用，我們根據(jù)試用結(jié)果向他們提出建議，他們再拿回去改進。但是一些初創(chuàng)公司就不好說了，我們擔(dān)心可能會利用‘炒作’進行圈錢。”
“材料企業(yè)到底愿意投入多大成本在這上面（石墨烯）？這是我們考慮與其合作的要素之一。與我們長期合作的材料供應(yīng)商，不會單純地以石墨烯為生，他們有很多其他產(chǎn)業(yè)項目。反而是那種僅靠石墨烯生存的企業(yè)，在與我們交流之后便沒有了下文。我們不確定他是會繼續(xù)往下做，還是靠這個撈一把。”王欣全說道。
王芳在分析石墨烯熱的原因時談道：“石墨烯本身具有極其特殊的本質(zhì)特征，人們寄希望石墨烯帶來多個領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)進步，進行一場徹底的顛覆性的科學(xué)技術(shù)革命，從而改變?nèi)祟惿睢ｄ囯x子電池作為新能源和新能源汽車戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要組成，目前也是投資者關(guān)注的熱點，兩個熱點相結(jié)合，自然會引發(fā)極大關(guān)注，從而達到部分群體的炒作目的。”
國內(nèi)技術(shù)仍顯遜色
一個有趣的現(xiàn)象是，盡管主流電池企業(yè)并未把石墨烯視作“掌上明珠”，但卻無一例外地不放棄對其進行跟蹤研究。比如，劉孝偉告訴記者，超威此前在俄羅斯設(shè)置了石墨烯研究機構(gòu)；同樣，在力神的某些特定的研發(fā)體系中，對石墨烯材料也有了一定投入。
劉孝偉告訴記者：“除應(yīng)用在電池領(lǐng)域，石墨烯還有很多用武之處，比如石墨烯鋁合金可以替代航天中的鋁材料，并改善鋁材料的性能；添加在鋼材里面以增加柔韌性，使之成為一種高強度材料；石墨烯單層的導(dǎo)電率非常強，所以它在芯片等領(lǐng)域的用途也大于電池。”
王欣全談道：“石墨烯和不同材料在一起時，表現(xiàn)出的電化學(xué)性能也不同。如果它要在電池里發(fā)揮作用，那么前提是一定要與其他電池材料匹配，而關(guān)于匹配度的問題正是我們關(guān)注的焦點。此外，關(guān)于石墨烯研究本身，我們還有很多可以進步的地方，比如在純度、片徑大小（片徑越小越不好做）、層數(shù)等方面。”說話間，他從手機中調(diào)出圖片并告訴記者，從宏觀上觀察，作為導(dǎo)電添加劑的石墨烯是呈液體狀的乳液，微觀層面的石墨烯才是片狀的，使用時必須把石墨烯放在溶劑里，調(diào)成電池漿料。“真的有人把石墨烯打成片狀來賣。”他調(diào)侃道。
記者了解到，與國外更為成熟的研究相比，國內(nèi)在石墨烯制造方面也稍顯遜色。“很少有企業(yè)把石墨烯做到薄至十層以內(nèi)，或者做到徑面很小的程度，與其稱之為石墨烯，多數(shù)產(chǎn)品仍然還是薄層石墨而已，當(dāng)然這也是我們需要加強研發(fā)的方向。”一位電池企業(yè)負責(zé)人說。
不過，在正道的回復(fù)中記者發(fā)現(xiàn)，他們在石墨烯的研發(fā)工作上另辟蹊徑，其中談道：“石墨烯應(yīng)用于電池，有很多的方法，作為添加劑是普遍采用的方法，效果的確有限。正道石墨烯超級電池采用完全不同的開發(fā)方法，這是真正意義的石墨烯電池，很快會在國內(nèi)生產(chǎn)。”至于如何實現(xiàn)技術(shù)突破，作為公司的核心技術(shù)，正道對此表示暫時不對外公開。
我們的采訪也止步于此。
回望歷史，人類社會在遵循自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，確實曾有許多定論被不斷推翻，確實也出現(xiàn)過太多由不可能到可能的轉(zhuǎn)變。倘若有一天，石墨烯果真被揭開那層神秘的面紗，向世界展示出其更為“神奇”、更具顛覆性的能量時，想必每個人都會樂見其成的。
這是科學(xué)留給我們的遐想。
來源： 中國汽車報
