揭開(kāi)面紗 解析“石墨烯熱”從何而來(lái)

　　“充電5分鐘，通話(huà)N小時(shí)?！苯┠?，這句廣告語(yǔ)已經(jīng)成為某品牌打出的金字招牌，如果走到手機銷(xiāo)售柜臺，熱心的導購還會(huì )告訴你，這是廠(chǎng)家使用了“石墨烯電池”的緣故。

　　4月，剛剛從日內瓦車(chē)展回國的正道汽車(chē)，再次攜旗下三款增程式電動(dòng)概念車(chē)參加上海車(chē)展，“綜合續駛1000km”、“石墨烯超級電池”，是它此次亮相車(chē)展期間最醒目的標簽。

　　8月，又一款據稱(chēng)搭載石墨烯電池的電動(dòng)汽車(chē)Fisker將亮相于世，這家來(lái)自美國的電動(dòng)汽車(chē)制造商表示采用石墨烯技術(shù)的新車(chē)能夠延長(cháng)續航里程、電池壽命，同時(shí)縮短充電時(shí)間。這則消息傳入國內后，媒體稱(chēng)之為：里程碑式的黑科技。

　　石墨烯又熱了，這一次是因為動(dòng)力電池。其實(shí)，石墨烯的熱度似乎又從未降低過(guò)，但凡涉及石墨烯的投資領(lǐng)域，必定引來(lái)大量關(guān)注。這是一種怎樣神奇的物質(zhì)?揭開(kāi)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(lái)，是在其發(fā)現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(guò)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面，撕開(kāi)膠帶，通過(guò)反復的粘貼與撕開(kāi)，獲得了越來(lái)越薄的石墨片，直至最終成為單原子層的石墨烯?！巴ㄋ椎刂v，紙上的鉛筆痕跡如果不斷地被摩擦，那么最后可能就會(huì )得到石墨烯?！敝袊?chē)技術(shù)研究中心試驗研究所新能源實(shí)驗室主任王芳在向記者解釋這一物質(zhì)時(shí)，做了一個(gè)淺顯的說(shuō)明，同時(shí)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(gè)原子層厚度的準二維材料，所以又稱(chēng)之為單原子層石墨?！痹诮忉屖┑奶匦詴r(shí)，王芳談道，“作為目前發(fā)現的最薄的材料，石墨烯的強度也最大?！北热?，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。石墨烯在室溫下導電導熱性能很強，電阻率甚至比銅或銀還要低，而它在室溫下的熱導率是硅的36倍、銅的10倍多。

　　自然界中的奧妙是無(wú)窮的，也正是由于具有高導電性、高導熱性、高強度和高剛度，石墨烯在業(yè)內被冠以“黑金”或者“新材料之王”的頭銜?！八沟靡恍┐饲爸荒茉诶碚撋线M(jìn)行論證的量子效應可以通過(guò)試驗進(jìn)行驗證，也使得一些原來(lái)需要在巨型粒子加速器中進(jìn)行的試驗，如今可以在小型實(shí)驗室內用石墨烯進(jìn)行。石墨烯還具有所謂的量子霍爾效應，這種諾貝爾獎量級的重要效應在以往是需要在極低溫下才能顯現的，石墨烯卻能將它帶到室溫下。這是石墨烯給人類(lèi)物理學(xué)研究帶來(lái)的特殊意義?！蓖醴颊f(shuō)。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)新能源汽車(chē)和移動(dòng)通訊設備的發(fā)展，如何改進(jìn)和提升各類(lèi)動(dòng)力和儲能電池材料的性能，成為業(yè)內一直以來(lái)關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。記者在與多位業(yè)內專(zhuān)家交流時(shí)了解到，將石墨烯作為基礎材料添加到現有的各類(lèi)電池材料中，已經(jīng)成為國內各主流電池企業(yè)采用的一種普遍的電池生產(chǎn)方式。

　　據王芳介紹，目前看來(lái)，在主流應用技術(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;二是作為導電添加劑添加到正負極電極材料中或對電極材料進(jìn)行復合改性處理，提高電極導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(shí)，因其表面特性極易受到外界影響導致穩定性極差，存在首次效率低下等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足鋰離子電池的性能需求，所以在鋰離子電池上的應用主要為后兩種方式。

　　一位電池企業(yè)負責人向記者描述石墨烯在負極材料中的工作原理時(shí)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(wèn)題是隨著(zhù)鋰離子反復地嵌入和脫出，電極在充放電過(guò)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，導致電極表現出較差的循環(huán)性能。而石墨烯憑借其獨特的二維薄片結構，在充放電過(guò)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象?！?/p>

　　■更像電池車(chē)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，該負責人話(huà)鋒一轉：“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(guò)所有材料成分的3%，是實(shí)實(shí)在在的‘配角’，其地位就像做菜時(shí)使用的味精?！?/p>

　　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(yǔ)和電動(dòng)車(chē)企的“續航宏圖”該如何兌現呢?帶著(zhù)這一問(wèn)題，記者試圖與國內幾家研發(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(huì )上產(chǎn)生的熱度形成鮮明對比、同時(shí)也給記者留下深刻印象的卻是，石墨烯生產(chǎn)企業(yè)負責人在面對記者一系列問(wèn)題時(shí)，卻表現出異常的謹慎與冷靜。在經(jīng)過(guò)多重打聽(tīng)之后，多家相關(guān)企業(yè)“不愿多談”與“暫時(shí)保密”的回復，讓記者一時(shí)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(lái)自山西的石墨烯材料研發(fā)企業(yè)代表甚至警惕地詢(xún)問(wèn)記者此次調研“最終目的是什么”，表明采訪(fǎng)意圖后，最后的對話(huà)仍然無(wú)果而終。

　　又或者，那些真正長(cháng)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(zhù)疑問(wèn)來(lái)到天津力神電池研究院，研究院基礎研發(fā)部部長(cháng)王欣全從話(huà)題一開(kāi)始就明確表明態(tài)度，石墨烯在這里就是他們的“味精”，準確地講，當前甚至沒(méi)有所謂的“石墨烯電池”一說(shuō)?！斑@是我們作為一家動(dòng)力電池企業(yè)的基本論調?！痹谒砗?，從電池生產(chǎn)車(chē)間發(fā)出的機器工作聲音一直未有停歇。

　　在王欣全看來(lái)，與其去揭開(kāi)石墨烯的神秘面紗，這家年產(chǎn)能已達30億瓦時(shí)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(shí)/公斤的電池比能量當作2020年目標。王欣全坦言：“這是一個(gè)極限，對我們來(lái)說(shuō)壓力很大?！?/p>

　　從對話(huà)中記者發(fā)現，盡管面臨上述挑戰，力神也并未在石墨烯這種材料上尋找到突破口?！皩τ谔岣唠姵匦阅?，石墨烯確實(shí)會(huì )產(chǎn)生作用，但是不會(huì )顛覆電池技術(shù)。力神從2015年就已開(kāi)始接觸石墨烯，在所有產(chǎn)品種類(lèi)中，石墨烯的使用比例僅為30%?！?/p>

　　另一家電池企業(yè)的代表，超威研究院院長(cháng)劉孝偉向記者表明了相同觀(guān)點(diǎn)：“石墨烯本是一種納米碳材料，其化學(xué)性能不會(huì )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?！彼嬖V記者，即便是生產(chǎn)出“烯王”的東旭光電，也沒(méi)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)現一個(gè)規律，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?！暗恰╇姵亍@種提法確實(shí)不科學(xué)，因為它并沒(méi)有作為嵌鋰電極材料運用于電池中，只是作為輔料應用，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?！蓖醴急硎?。

　　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——這是記者從多數電池企業(yè)負責人口中得到的答案。

　　此外，一則年初的舊聞不得不提。1月14日，2017中國電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì )論壇上，國家科技部部長(cháng)萬(wàn)鋼在主旨發(fā)言中提到：“石墨烯材料正在逐漸地進(jìn)入電池的應用中。有的朋友跟我說(shuō)，我們現在用的是石墨烯電池，其實(shí)說(shuō)用了石墨烯是對的，但是全部用石墨烯來(lái)做電池，似乎從科學(xué)意義上不太準確?！?/p>

　　從時(shí)間上看，這應該是國家相關(guān)部委領(lǐng)導關(guān)于石墨烯電池的最新論斷。

　　■誰(shuí)在“炒作”?

　　盡管如此，石墨烯在行業(yè)內依然很“火”。這是資本市場(chǎng)的炒作行為還是媒體在理解上偏差導致的不實(shí)報道?

　　還是從手機說(shuō)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(lái)，華為時(shí)常對外釋放出關(guān)于石墨烯研發(fā)的新進(jìn)展。尤其是在去年底，一則帶有“華為”、“石墨烯”、“鋰電池”三個(gè)關(guān)鍵詞的新聞更是引人關(guān)注。當時(shí)的報道如下：

　　“12月1日，華為中央研究院瓦特實(shí)驗室在第57屆日本電池大會(huì )上，宣布在鋰離子電池領(lǐng)域實(shí)現重大研究突破，推出業(yè)界首個(gè)高溫長(cháng)壽命石墨烯基鋰離子電池。實(shí)驗結果顯示，以石墨烯為基礎的新型耐高溫技術(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?！?/p>

　　有意思的是，根據業(yè)內人士的關(guān)注，部分媒體在傳播這則消息時(shí)卻將標題關(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(shí)代到來(lái)”。而根據華為公開(kāi)的資料來(lái)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(méi)有使用石墨烯材料提高導電性，更沒(méi)有直接使用石墨烯材質(zhì)制作電池主體。有的觀(guān)點(diǎn)認為，將其稱(chēng)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(guān)的。就目前的電池體系來(lái)看，石墨烯不可能在現有體系的電池上產(chǎn)生變革性影響，從實(shí)驗室到工程應用再到商業(yè)化還有很長(cháng)的路要走。高校和科研機構的科研人員在實(shí)驗室得出的數據和實(shí)際的產(chǎn)業(yè)應用還有差距，容易讓人曲解、誤解，很可能只是概念，沒(méi)有通過(guò)工程化開(kāi)發(fā)，離實(shí)際應用距離甚遠。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?！?/p>

　　再回到汽車(chē)領(lǐng)域。

　　在一份給本報記者的書(shū)面回復中，正道集團就如何看待目前資本市場(chǎng)對石墨烯電池進(jìn)行的“炒作”行為，提出觀(guān)點(diǎn)認為：“任何領(lǐng)域，特別是新興領(lǐng)域，都會(huì )引起資本市場(chǎng)的關(guān)注，這是正常的。石墨烯電池具備無(wú)限的潛力，眾多投資者的介入，對于技術(shù)的發(fā)展與推動(dòng)，肯定有積極意義?！?/p>

　　不過(guò)，在王欣全看來(lái)，力神與各類(lèi)石墨烯供應商打交道時(shí)，卻必須具備一雙“火眼金睛”?！坝幸恍┕虝?huì )把石墨烯拿給我們試用，我們根據試用結果向他們提出建議，他們再拿回去改進(jìn)。但是一些初創(chuàng )公司就不好說(shuō)了，我們擔心可能會(huì )利用‘炒作’進(jìn)行圈錢(qián)?！?/p>

　　“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(cháng)期合作的材料供應商，不會(huì )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(méi)有了下文。我們不確定他是會(huì )繼續往下做，還是靠這個(gè)撈一把?！蓖跣廊f(shuō)道。

　　王芳在分析石墨烯熱的原因時(shí)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(lái)多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)行一場(chǎng)徹底的顛覆性的科學(xué)技術(shù)革命，從而改變人類(lèi)生活。鋰離子電池作為新能源和新能源汽車(chē)戰略新興產(chǎn)業(yè)的重要組成，目前也是投資者關(guān)注的熱點(diǎn)，兩個(gè)熱點(diǎn)相結合，自然會(huì )引發(fā)極大關(guān)注，從而達到部分群體的炒作目的?！?/p>

　　■國內技術(shù)仍顯遜色

　　一個(gè)有趣的現象是，盡管主流電池企業(yè)并未把石墨烯視作“掌上明珠”，但卻無(wú)一例外地不放棄對其進(jìn)行跟蹤研究。比如，劉孝偉告訴記者，超威此前在俄羅斯設置了石墨烯研究機構;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;石墨烯單層的導電率非常強，所以它在芯片等領(lǐng)域的用途也大于電池?！?/p>

　　王欣全談道：“石墨烯和不同材料在一起時(shí)，表現出的電化學(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(wèn)題正是我們關(guān)注的焦點(diǎn)。此外，關(guān)于石墨烯研究本身，我們還有很多可以進(jìn)步的地方，比如在純度、片徑大小(片徑越小越不好做)、層數等方面?！闭f(shuō)話(huà)間，他從手機中調出圖片并告訴記者，從宏觀(guān)上觀(guān)察，作為導電添加劑的石墨烯是呈液體狀的乳液，微觀(guān)層面的石墨烯才是片狀的，使用時(shí)必須把石墨烯放在溶劑里，調成電池漿料?！罢娴挠腥税咽┐虺善瑺顏?lái)賣(mài)?！彼{侃道。

　　記者了解到，與國外更為成熟的研究相比，國內在石墨烯制造方面也稍顯遜色?！昂苌儆衅髽I(yè)把石墨烯做到薄至十層以?xún)?，或者做到徑面很小的程度，與其稱(chēng)之為石墨烯，多數產(chǎn)品仍然還是薄層石墨而已，當然這也是我們需要加強研發(fā)的方向?！币晃浑姵仄髽I(yè)負責人說(shuō)。

　　不過(guò)，在正道的回復中記者發(fā)現，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(kāi)發(fā)方法，這是真正意義的石墨烯電池，很快會(huì )在國內生產(chǎn)?！敝劣谌绾螌?shí)現技術(shù)突破，作為公司的核心技術(shù)，正道對此表示暫時(shí)不對外公開(kāi)。

　　我們的采訪(fǎng)也止步于此。

　　回望歷史，人類(lèi)社會(huì )在遵循自然規律的基礎上，確實(shí)曾有許多定論被不斷推翻，確實(shí)也出現過(guò)太多由不可能到可能的轉變。

　　這是科學(xué)留給我們的遐想。