石墨烯在鋰電池上的應(yīng)用前景渺茫

　　自從英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)二人因為“二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗”共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎之后，任何與石墨烯有關(guān)的新聞或者研究成果都受到了人們極大的關(guān)注。最近兩年，石墨烯相關(guān)“產(chǎn)業(yè)”在國內(nèi)也是如火如荼，與石墨烯有關(guān)的數(shù)十支概念股一再被爆炒。

　　國際上當(dāng)然也沒閑著，比如一則轟動性的新聞報道宣稱：西班牙Graphenano公司(一家工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出全球首個石墨烯聚合材料電池，儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的3倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而充電時間不到8分鐘。

　　Graphenano公司相關(guān)負(fù)責(zé)人稱，雖然此電池具有各種優(yōu)良的性能，但成本并不高，該電池的成本將比一般鋰離子電池低77%，完全在消費(fèi)者承受范圍之內(nèi)。

　　這則消息在國內(nèi)被很多媒體轉(zhuǎn)載報道，在新能源汽車界和鋰電界引起了很大反響。最近有不少朋友詢問筆者：“會做石墨烯電池嗎?石墨烯電池前景如何?什么時候量產(chǎn)?”筆者相信，很多鋰電界同仁也有類似的問題。并不是所有人都有電化學(xué)或者材料學(xué)背景，關(guān)注石墨烯電池也可能是出于不同目的，所以他們都不會問一個最基本的問題：什么是石墨烯電池?

　　在本文中，筆者希望能夠揭開籠罩在石墨烯電池上面的神秘面紗，讓大家真正了解石墨烯在電化學(xué)儲能方面的應(yīng)用價值，而不是被一些非專業(yè)的記者或者炒作者蒙蔽，即便真相也許并不是那么鼓舞人心。

　　什么是石墨烯?先來看看維基百科的定義：“石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道?成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎完全透明只吸收2.3%的光;導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-8俜m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。”

　　最薄、最堅硬、最導(dǎo)熱、最導(dǎo)電，這所有的光環(huán)都在告訴人們，石墨烯是一種多么神奇的材料啊!但是筆者要提醒的是，國際上對Graphene的定義是1-2層的nanosheet才能稱之為是Graphene，并且只有沒有任何缺陷的石墨烯才具備這些完美特性，而實(shí)際生產(chǎn)的石墨烯多為多層且存在缺陷。

　　石墨烯主要有如下幾種生產(chǎn)方法：

　　·機(jī)械剝離法。當(dāng)年Geim研究組就是利用3M的膠帶手工制備出了石墨烯的，但是這種方法產(chǎn)率極低而且得到的石墨烯尺寸很小，該方法顯然并不具備工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。

　　·化學(xué)氣相沉積法(CVD)。化學(xué)氣相沉積法主要用于制備石墨烯薄膜，高溫下甲烷等氣體在金屬襯底(Cu箔)表面催化裂解沉積然后形成石墨烯。CVD法的優(yōu)點(diǎn)在于可以生長大面積、高質(zhì)量、均勻性好的石墨烯薄膜，但缺點(diǎn)是成本高工藝復(fù)雜存在轉(zhuǎn)移的難題，而且生長出來的一般都是多晶。

　　·氧化-還原法。氧化-還原法是指將天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨(GO)，經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯，然后加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團(tuán)后得到石墨烯。氧化-還原法制備成本較低容易實(shí)現(xiàn)，成為生產(chǎn)石墨烯的最主流方法。但是該方法所產(chǎn)生的廢液對環(huán)境污染比較嚴(yán)重，所制備的石墨烯一般都是多層石墨烯或者石墨微晶而非嚴(yán)格意義上的石墨烯，并且產(chǎn)品存在缺陷而導(dǎo)致石墨烯部分電學(xué)和力學(xué)性能損失。

　　·溶劑剝離法。溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，溶劑插入石墨層間，進(jìn)行層層剝離而制備出石墨烯。此方法不會像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，可以制備高質(zhì)量的石墨烯。缺點(diǎn)是成本較高并且產(chǎn)率很低，工業(yè)化生產(chǎn)比較困難。

　　此外，石墨烯的制備方法還有溶劑熱法、高溫還原、光照還原、外延晶體生長法、微波法、電弧法、電化學(xué)法等，這些方法都不及上述四種方法普遍。

　　在此，筆者介紹一個新名詞：還原氧化石墨烯，即RGO。一般來說，氧化石墨烯是由石墨經(jīng)強(qiáng)酸氧化，然后再經(jīng)過化學(xué)還原或者熱沖擊還原得到。目前市場上所謂的“石墨烯”絕大多數(shù)都是通過氧化-還原法生產(chǎn)的氧化石墨烯，石墨片層數(shù)目不等，表面存在大量的缺陷和官能團(tuán)，無論是導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性還是機(jī)械性都跟獲得諾貝爾獎的石墨烯是兩回事。嚴(yán)格意義上而言，它們并不能稱為“石墨烯”。