走下“神壇” 石墨烯該降溫了

　　“充電5分鐘，通話N小時。”近些年，這句廣告語已經成為某品牌打出的金字招牌，如果走到手機銷售櫃檯，熱心的導購還會告訴你，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，“綜合續駛1000km”、“石墨烯超級電池”，是它此次亮相車展期間最醒目的標簽。

　　8月，又一款據稱搭載石墨烯電池的電動汽車Fisker將亮相於世，這家來自美國的電動汽車製造商表示採用石墨烯技術的新車能夠延長續航里程、電池壽命，同時縮短充電時間。這則消息傳入國內後，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域，必定引來大量關注。這是一種怎樣神奇的物質？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，是在其發現者英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得諾貝爾獎的2010年。

　　兩位科學家研製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，然後用塑膠膠帶粘住薄片的兩側面，撕開膠帶，通過反覆的粘貼與撕開，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，那麼最後可能就會得到石墨烯。”中國汽車技術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時，做了一個淺顯的説明，同時也揭示了其作為碳元素的本質。

　　“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，“作為目前發現的最薄的材料，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 千克的品質，其強度約為普通鋼的100倍，用石墨烯製成的包裝袋，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窮的，也正是由於具有高導電性、高導熱性、高強度和高剛度，石墨烯在業內被冠以“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用石墨烯進行。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。這是石墨烯給人類物理學研究帶來的特殊意義。”王芳説。

　　近年來，隨著新能源汽車和移動通訊設備的發展，如何改進和提升各類動力和儲能電池材料的性能，成為業內一直以來關注的一個焦點問題。記者在與多位業內專家交流時了解到，將石墨烯作為基礎材料添加到現有的各類電池材料中，已經成為國內各主流電池企業採用的一種普遍的電池生産方式。

　　據王芳介紹，目前看來，在主流應用技術中，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行複合改性處理，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，其主要作用在於提高電池功率特性。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致穩定性極差，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用主要為後兩種方式。"

　　一位電池企業負責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覆地嵌入和脫出，電極在充放電過程中，體積變化較大，活性材料剝落，使得電極活性物質之間失去電接觸，導致電極表現出較差的迴圈性能。而石墨烯憑藉其獨特的二維薄片結構，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，並阻止負極材料的團聚現象。”

　　更像電池車間裏的“味精”

　　在詳細介紹了石墨烯優異的物理和化學特性之後，該負責人話鋒一轉：“儘管如此，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，那麼文首所提及的廣告語和電動車企的“續航宏圖”該如何兌現呢？帶著這一問題，記者試圖與國內幾家研發石墨烯電池的企業取得聯繫，以求獲得答案。

　　然而，與石墨烯在社會上産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，石墨烯生産企業負責人在面對記者一系列問題時，卻表現出異常的謹慎與冷靜。在經過多重打聽之後，多家相關企業“不願多談”與“暫時保密”的回復，讓記者一時間感到更為不解。

　　興許確是出於技術保密工作需要，一家來自山西的石墨烯材料研發企業代表甚至警惕地詢問記者此次調研“最終目的是什麼”，表明採訪意圖後，最後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産企業能夠解答一二？

　　日前，記者帶著疑問來到天津力神電池研究院，研究院基礎研發部部長王欣全從話題一開始就明確表明態度，石墨烯在這裡就是他們的“味精”，準確地講，當前甚至沒有所謂的“石墨烯電池”一説。“這是我們作為一家動力電池企業的基本論調。”在他身後，從電池生産車間發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，這家年産能已達30億瓦時的電池企業卻更願意把研究精力集中在如何提高鋰離子電池比能量上：他們已經把300瓦時/公斤的電池比能量當作2020年目標。王欣全坦言：“這是一個極限，對我們來説壓力很大。”

　　從對話中記者發現，儘管面臨上述挑戰，力神也並未在石墨烯這種材料上尋找到突破口。“對於提高電池性能，石墨烯確實會産生作用，但是不會顛覆電池技術。力神從2015年就已開始接觸石墨烯，在所有産品種類中，石墨烯的使用比例僅為30%。”

　　另一家電池企業的代表，超威研究院院長劉孝偉向記者表明瞭相同觀點：“石墨烯本是一種奈米碳材料，其化學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，即便是生産出“烯王”的東旭光電，也沒有將旗下任何一款電池産品定義為“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，不難發現一個規律，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。“但是‘石墨烯電池’這種提法確實不科學，因為它並沒有作為嵌鋰電極材料運用於電池中，只是作為輔料應用，電池正極材料仍然採用三元材料、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於電池中，其主要作用在於改善功率特性——這是記者從多數電池企業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中國電動汽車百人會論壇上，國家科技部部長萬鋼在主旨發言中提到：“石墨烯材料正在逐漸地進入電池的應用中。有的朋友跟我説，我們現在用的是石墨烯電池，其實説用了石墨烯是對的，但是全部用石墨烯來做電池，似乎從科學意義上不太準確。”

　　從時間上看，這應該是國家相關部委領導關於石墨烯電池的最新論斷。

　　誰在“炒作”？

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

　　還是從手機説起。以國産手機“頭牌”華為為例，自從2015年宣佈和英國曼徹斯特大學的國家石墨烯研究院合作以來，華為時常對外釋放出關於石墨烯研發的新進展。尤其是在去年底，一則帶有“華為”、“石墨烯”、“鋰電池”三個關鍵詞的新聞更是引人關注。當時的報道如下：

　　“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，宣佈在鋰離子電池領域實現重大研究突破，推出業界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池。實驗結果顯示，以石墨烯為基礎的新型耐高溫技術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，根據業內人士的關注，部分媒體在傳播這則消息時卻將標題關鍵詞直接鎖定為“石墨烯電池”，更有甚者提出“石墨烯商業化時代到來”。而根據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，僅用於提升鋰離子電池散熱效果，並且電池電極上也並沒有使用石墨烯材料提高導電性，更沒有直接使用石墨烯材質製作電池主體。有的觀點認為，將其稱為“石墨烯基鋰離子電池”也有些牽強。

　　中國科學院寧波材料所研究員劉兆平明確表示：“企業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，石墨烯不可能在現有體系的電池上産生變革性影響，從實驗室到工程應用再到商業化還有很長的路要走。高校和科研機構的科研人員在實驗室得出的數據和實際的産業應用還有差距，容易讓人曲解、誤解，很可能只是概念，沒有通過工程化開發，離實際應用距離甚遠。目前冠以"石墨烯電池"等相關技術和産品大多涉嫌炒作和忽悠。"

　　再回到汽車領域。

　　在一份給本報記者的書面回復中，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：“任何領域，特別是新興領域，都會引起資本市場的關注，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，對於技術的發展與推動，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商打交道時，卻必須具備一雙“火眼金睛”。“有一些供應商會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。但是一些初創公司就不好説了，我們擔心可能會利用‘炒作’進行圈錢。”

　　“材料企業到底願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商，不會單純地以石墨烯為生，他們有很多其他産業項目。反而是那種僅靠石墨烯生存的企業，在與我們交流之後便沒有了下文。我們不確定他是會繼續往下做，還是靠這個撈一把。”王欣全説道。

　　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特徵，人們寄希望石墨烯帶來多個領域的科學技術進步，進行一場徹底的顛覆性的科學技術革命，從而改變人類生活。鋰離子電池作為新能源和新能源汽車戰略新興産業的重要組成，目前也是投資者關注的熱點，兩個熱點相結合，自然會引發極大關注，從而達到部分群體的炒作目的。”

　　國內技術仍顯遜色

　　一個有趣的現象是，儘管主流電池企業並未把石墨烯視作“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置了石墨烯研究機構；同樣，在力神的某些特定的研發體系中，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太中的鋁材料，並改善鋁材料的性能；添加在鋼材裏面以增加柔韌性，使之成為一種高強度材料；石墨烯單層的導電率非常強，所以它在晶片等領域的用途也大於電池。”

　　王欣全談道：“石墨烯和不同材料在一起時，表現出的電化學性能也不同。如果它要在電池裏發揮作用，那麼前提是一定要與其他電池材料匹配，而關於匹配度的問題正是我們關注的焦點。此外，關於石墨烯研究本身，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)、層數等方面。”説話間，他從手機中調出圖片並告訴記者，從宏觀上觀察，作為導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裏，調成電池漿料。“真的有人把石墨烯打成片狀來賣。”他調侃道。

　　記者了解到，與國外更為成熟的研究相比，國內在石墨烯製造方面也稍顯遜色。“很少有企業把石墨烯做到薄至十層以內，或者做到徑面很小的程度，與其稱之為石墨烯，多數産品仍然還是薄層石墨而已，當然這也是我們需要加強研發的方向。”一位電池企業負責人説。

　　不過，在正道的回復中記者發現，他們在石墨烯的研發工作上另辟蹊徑，其中談道：“石墨烯應用於電池，有很多的方法，作為添加劑是普遍採用的方法，效果的確有限。正道石墨烯超級電池採用完全不同的開發方法，這是真正意義的石墨烯電池，很快會在國內生産。”至於如何實現技術突破，作為公司的核心技術，正道對此表示暫時不對外公開。

　　我們的採訪也止步於此。

　　回望歷史，人類社會在遵循自然規律的基礎上，確實曾有許多定論被不斷推翻，確實也出現過太多由不可能到可能的轉變。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。

　　這是科學留給我們的遐想。