“材料明星”石墨烯掀起電池領域的一場能源革命

    俗話說真金不怕火煉。被譽為“黑金”的石墨烯，是電池領域炙手可熱的“材料明星”。在《中國制造2025》中選擇的10大重點突破技術和戰略產業中，石墨烯材料是前沿新材料領域的四大重點之一。作為目前發現的厚度最薄、強度最高、導電性能最好的新型納米材料，石墨烯被稱為可改變21世紀的“神奇材料”，這一“新材料之王”也勢必會掀起電池領域的一場能源革命。

    強勢登場的“材料明星”

    “有一種物質，如同愛麗絲仙境一般神奇，那就是石墨烯。”

    石墨烯就是從石墨材料中剝離出來，由碳原子按照特殊結構排列成的二維晶體。2004年英國曼徹斯特大學首次成功從石墨中分離出石墨烯，時隔6年之后他們因此獲得了諾貝爾物理學獎。

    提起石墨我們一定不陌生，最常用的鉛筆筆芯就是石墨與黏土的混合，而石墨烯的主要來源就是石墨。換個角度看，石墨烯只有單層原子厚度，鉛筆芯中的石墨就相當于無數層石墨烯的堆放疊加。由于石墨烯如此之薄，使用了石墨烯的材料也將在“身材”上大幅度“瘦身”，未來由石墨烯制成的手機厚度可能薄到如同銀行卡一般。

    石墨烯雖然“出身”平平，卻技驚四座。它不僅是迄今為止自然界最薄的材料，也是強度最高的材料，石墨烯的斷裂強度比最好的鋼材還要高出200倍。石墨烯的彈性驚人，可被無限拉伸和彎曲，抗壓能力、導熱和導電性也令它在諸多材料中嶄露頭角。

    此外，石墨還具有儲備量大、物美價廉的突出優勢，我國的石墨礦儲量達到了世界總儲量的75％，為石墨烯的生產與應用提供了豐富的來源。

    即充即走將不是夢

    “充電7秒鐘，行駛35公里。”這不再是一句廣告語，而是我國中科院研究人員研制出的石墨烯基鋰電池具有的優異儲能特性的展現。

    石墨烯基鋰電池快速充電的原理源自鋰離子在石墨烯表面和電極之間的快速大量穿梭。事實上，鋰離子電池的充放電速度取決于鋰離子在電極中穿梭“游泳”的速度。石墨烯具備優異的電子傳導性能和獨具一格的二維單原子結構，可在電極間為鋰離子規劃出最優移動路徑，大幅度提升鋰離子電池的充放電速度。

    據統計，通過摻入石墨烯，可使電子的運動速度達到光速的三百分之一，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這樣不僅可以帶來高效遷移，更減少了能量損耗，超強的導電性可有效改善傳統電池充電時間長、動力不足等突出問題。

    “電量焦慮”應當如何破解

    長期以來，使用普通電池運行的電子設備，電池續航能力是個“老大難”問題。現有的快充技術普遍采用增大電壓方式實現，為縮小體積，鋰離子電池的隔膜厚度也是不斷壓縮。然而這卻極易導致電池過熱，帶來電池自燃爆炸的安全隱患。

    如今，石墨烯將成為“超級電池”這個夢想的“圓夢人”。石墨烯基鋰電池是在傳統鋰電池的電極材料中添加石墨烯的一種新型電池，具有充電速度更快、容量更大、壽命更長等突出優勢。在此之前，我國就成功研制出石墨烯基鋰離子電池“烯王”，可經受住－30攝氏度到80攝氏度的“嚴寒酷暑”考驗，充電效率更是普通電池的24倍。

    一旦采用了石墨烯基鋰電池驅動，未來的新能源汽車續航能力將達到500公里，可大大緩解人們心中的“電量焦慮”問題。

    無限可能的未來應用

    由于石墨烯材料本身的神奇特性，未來應用前景廣闊。除應用于新型電池外，石墨烯還可用于制造薄如紙片的超輕型飛機材料、堅韌的防彈衣甚至是太空電梯的繩纜。美國科學家使用石墨烯制造的調制解調器，直徑只有頭發絲的四百分之一，卻具備了高速信號傳輸能力，可實現高清電影的瞬間下載。只要把10個石墨烯制成的調制解調器放在一起，傳輸速度可達到百萬兆，將比目前的光纖網絡速度快1萬倍。

    石墨烯在其他一些領域的應用也堪稱神奇。由于吸附能力強，石墨烯可用于海水淡化、污水處理等過濾裝置，并可憑借其良好的透光性用來制作特殊的透明電子材料，未來可彎曲折疊的手機屏幕很有可能就是“石墨烯造”。隨著新材料技術的快速發展，未來石墨烯可用于制成新型薄膜，在危險化學品爆燃時只需一層薄膜就可化險為夷。<