石墨烯聚合材料电池有哪些优点呢？

石墨烯被研究者和各大媒体誉为“新材料之王”，是人类已知强度高、韧性好、重量轻、透光率高、导电性佳的新型纳米材料。

集万千光芒于一身的石墨烯聚合电池，有着比能量高、充电速率快等优点，正好是当今电动汽车的痛点所在。比如早在2015年，华为瓦特实验室在日本第56届日本电池大会上发布的一项快充技术，这款3000mAh的石墨烯电池仅需5分钟，就可获得高达48%的电量。

更有甚者，早在2014年，西班牙Graphenano公司就与西班牙科尔瓦多大学，合作研究出了首例石墨烯聚合材料电池。

按他们的说法，这款电池有着诸多优点：

1.一个石墨烯电池的比能量超过600wh/kg，储电量是当时市场最好产品的三倍，这个表现放在当今都能呈碾压态势（比如目前比亚迪磷酸铁锂电池的单体能量密度为150~160Wh/kg、特斯拉最新的21700电池系统的能量密度在300Wh/kg左右）；

2.单次续航里程可高达1000公里；

3.单次完全充电仅需8分钟以内；

4.使用寿命是传统氢化电池的四倍，锂电池的两倍；

5.重量仅为传统电池的一半；

6.Graphenano表示，此款电池的成本比锂电池低77%。

如果从实验室角度看，这些数据我并不十分怀疑，因为石墨烯电池又被称为“圈钱利器”或“论文利器”。不信去大学看看就知道了，研究这东西很好发文章，但真到实用阶段，基本都哑火了。

验证这是不是故意贬低石墨烯电池，方法很简单。比如距今已经过去了4年之久，Graphenano公司再也没出现在我们的视野中。

从其官网看，最新的新闻基本都是参加国家会议或石墨烯在其他产品上的应用（比如牙科产品）。放着广阔的电动汽车市场不要，赚医学用品的钱，要么就是脑袋秀逗了，要么就是我们过分高估了他们的产品。

事实上就目前石墨烯在电池上的应用来说，主要是和硅结合，所谓的石墨烯电池，本质上还是属于锂电池。对锂离子电池来说，石墨烯作为碳基负极材料，是没有办法从根本上改变锂离子电池能量比数量级的。

在电池负极里面代替原来的石墨，虽然可以提升电池的整体容量和充电速度，但性能提升效果有限，并没到上文所述那般强势。

附：上图为斯坦福大学崔屹教授团队在NatureNanotechnology上发表的题目为“Air-stableandfreestandinglithiumalloy/graphenefoilasanalternativetolithiummetalanodes”的研究成果。即便如此，其性能也没有达到碾压的程度。

当然，这并不是阻碍石墨烯电池面市的主要原因，量产化困难的主要原因在其内部。

1.全石墨烯电池成本十分高昂，而且制备难度大，几乎不可能量产。现在公布的一些惊人数据基本都来自纯度极高的石墨烯电池，仅出现在概念阶段或实验室内；

2.“掺杂石墨烯电池”在锂电池上的作用是导电剂或电极嵌锂材料，但与传统的导电碳和石墨低廉的成本相比，前者带来的性能提升不足以吸引各厂家；

3.石墨烯材料本身具有的高比表面积等性质，与现在的锂离子电池工业的技术体系无法相容；

4.除此之外，比如其他材料的冲击（比如硅在做负极上有着更高的理论容量）和分散工艺难度高等问题，都制约着它在锂电池上的应用。

首先，来聊聊这个问题存在的误区。我身边有好多课题组在做锂电和石墨烯的相关研究，为了详细的回答这个问题，今天午饭还特意跟相关领域的科研人员讨论了这个话题，现在来为大家详细的解答一下这个问题。首先纠正一下各位汽车达人的错误之处主要在于没有对掺杂石墨烯电池和全石墨烯电池进行区分，而两者的区别无论在工艺还是价格上都是天壤之别的。在科研界，全石墨烯电池的研究人员也并不多，至于为什么大家也不难想象了。除了，现在的热点锂离子电池，石墨烯作为电极材料应用在储能材料上的例子比比皆是，例铝离子电池也广泛的应用了石墨烯材料（Advanced,EnergyMaterials,2017,1700051.AdvancedMaterials,2017,29,1605958,etc),钠离子电池（JournalofMaterialsChemistry，2017,3179）等等，总觉得什么材料大家都想用石墨烯掺杂一下看看性能。以至于业界，直接将电极掺杂的石墨烯的石墨基储能材料直接统称为石墨烯电池，其实这种称谓是有一定的误导性的，因为石墨烯并未电池材料的主体。

什么是锂电池，其工作原理是什么？

其实经典的电化学命名规则，充电电池的命名应该是正极在前、负极在后，这样该电池体系应该命名为“氧化钻锂-石墨充电电池”。但大家可以发现名字太难记了，由于充放电过程是通过锂离子的移动实现的，日本人便将其命名为“锂离子电池”，简称为“锂电”。

一般来说，锂离子电池主要包括正极、负极、隔膜和电解液四个组成部分。正极材料一般都是一些富锂的层状化合物，目前常见的商用正极材料主要有钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）以及三元材料（LiMnxCo1-x-yNiyO2）等；而负极材料则主要是一些具有嵌锂电位的单质或者化合物，大致主要可以分为碳类负极材料和非碳类负极材料；隔膜主要是用来防止正负极的直接接触而导致短路，一般为不导电的高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜，如PP、PE、PP/PE、PP/PE/PP等，它具有一定的孔径和孔隙率，保证低电阻和高离子电导率。电解液是锂离子在电池正负极传输的载体，电解质溶液通常使用的电解质是LiPF6，LiClO4等，溶剂主要有EC、DMC、PC和ClMC等。

锂离子电池充电时，Li+从正极的富锂层状化合物中脱出，通过电解液，透过隔膜嵌入到负极材料中，这时负极变成了富锂状态，正极为贫锂状态；而放电的过程则相反，Li+首先从负极材料中脱出，经由电解液再返回到正极，此时电子经外电路从负极流向正极，从而使整个充放电过程中的电荷达到守恒。由于Li+可以在正负极材料中反复地嵌入与脱出，使锂电池可以被循环使用；而且如果用一些石墨类的负极材料代替了金属锂，可以避免了锂枝晶的产生，从而提高了锂离子电池的安全性能。下面是以LiFeO4作为锂电池正极材料，碳类材料作为负极材料时的反应方程式：

石墨烯如何在锂离子电池上应用？

石墨烯现在已经被广泛地应用到各个领域的研究。在锂离子电池研究领域也不例外，首先石墨烯的理论比容量比石墨更高，且锂离子在其中的扩散速率也比较快，但是其单独作为负极材料时容量衰减较快，循环性能并不是很理想。所以，研究者更多地是将石墨烯应用到对正负极材料的改性上，也就是制备石墨烯复合材料作为电极，所以这就是我在开头说的全石墨烯电池和石墨烯电池的主要区别所在。

主要包括以下几种：石墨烯基碳负极、石墨烯／硅负极、石墨烯／金属氧化物负极、石墨稀／硫正极等。

石墨烯基锂电池应用前景

我认为石墨烯材料这个泡沫现在确实被吹得太大了。特别是在电池行业，量产，走进人们的生活的可能性微乎其微，主要原因如下：

商业化要考虑的首要问题就是成本，在锂电池中石墨烯主要起到的作用与传统碳/石墨的作用是相似的，一是导电剂，二是可能做电极嵌锂材料，但是原料价格相差成千上万倍。

工艺繁琐，后处理污染严重，石墨烯比表面积大，受化学状态影响巨大，批次稳定性，循环寿命等众多细致因素限制，生产工艺及其复杂，而且石墨烯生产需要用到大量的硫酸，后处理也很麻烦。

石墨烯是可以做导电剂促进快充放，虽然理论上可以提高倍率性能，但是如果分散工艺不到位混料不均，可能性质反倒下降，得不偿失。

所以，石墨烯掺杂锂离子电池目前还无法广泛的应用，且由于工艺和成本等原因应用前景堪忧，更别提全石墨烯电池了。

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总之，首先要说明的是，石墨烯电池取代锂电池在中短期内基本是不可能的；“掺杂石墨烯锂电池”虽然有着一定的应用前景，但收效并不大，完全不足以撼动现今的格局。