自从英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因“二维石墨烯材料的开创性实验”荣获2010年诺贝尔物理学奖以来，任何与石墨烯相关的新闻或研究成果都引起了极大的关注。那么石墨烯锂电池究竟有哪些突出的优势呢？比如传闻中能够传输充满电的锂电池，着实让观众对这项技术的应用充满了期待。
图1 石墨烯材料结构
我经常会问公司的研发专家：“石墨烯现在可以量产了吗？石墨烯锂电池是否真如传说中那么强大，可以秒充？”其实，对于一个专业人士来说，得到的回答往往是“呵呵”。对于我这种没有电化学、材料科学背景的人来说，那些晦涩难懂的专业理论很难理解。
笔者结合专业人士的回答和多方信息，整理出以下内容供大家参考。在当今科技日新月异的世界，很难说那些现在看似炒作的先进思想和概念，有一天是否会成为现实。
什么是石墨烯
石墨烯（）是一种厚度仅为一个碳原子、由碳原子以sp2杂化轨道组成的六边形蜂巢晶格的二维材料。石墨烯是目前世界上最薄但也是最坚硬的纳米材料，几乎完全透明，对光的吸收率仅为2.3%。其热导率高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石；室温下电子迁移率超过/V·s，高于碳纳米管或硅晶体；其电阻率仅为10-8㿜m左右，低于铜或银，是世界上电阻率最低的材料。
最薄、最硬、最导热、最导电，所有这些光环都在告诉人们石墨烯是一种多么神奇的材料！但笔者要提醒大家的是，石墨烯的国际定义是1-2层，无任何缺陷的石墨烯才具备这些完美的性质，而实际生产出来的石墨烯大多是多层的，且存在缺陷。
当前的生产方法和质量
机械剥离法：Geim课题组采用3M胶带手动制备石墨烯，但此方法产量极低，且得到的石墨烯尺寸非常小，此方法显然不具备工业化生产的可能性。
化学气相沉积（CVD）：化学气相沉积主要用来制备石墨烯薄膜，在高温下，甲烷等气体催化裂解，沉积在金属基底（Cu箔）表面形成石墨烯。CVD法优点是可以生长大面积、高质量、均匀的石墨烯薄膜，但缺点是成本高、工艺复杂、转移问题，生长的石墨烯一般为多晶。
氧化还原法：氧化还原法是指天然石墨与强酸及强氧化性物质反应生成氧化石墨（GO），再经超声分散制备氧化石墨烯，然后加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团即可得到石墨烯。氧化还原法制备成本低，易于实施，是目前生产石墨烯最主流的方法。但该方法产生的废液对环境污染严重，且制备出的石墨烯一般为多层石墨烯或石墨微晶而非严格意义上的石墨烯，且产物存在缺陷导致石墨烯部分电学和力学性能的丧失。
溶剂剥离法：溶剂剥离法的原理是将少量石墨分散在溶剂中，形成低浓度分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间范德华力，将溶剂插入石墨层间，进行逐层剥离制备石墨烯。此方法不会像氧化还原法那样破坏石墨烯的结构，可以制备出高质量的石墨烯。缺点是成本高且产率很低，工业化生产困难。
此外，还有其他制备石墨烯的方法，例如溶剂热法、高温还原、光还原、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法等，但这些方法并不像上述四种方法那么常见。
图2 石墨烯可量产
这里，我想介绍一个新名词：还原氧化石墨烯，简称RGO。一般来说，氧化石墨烯是用强酸氧化石墨，再经过化学还原或热冲击还原而得到的。目前市面上所谓的“石墨烯”大多是采用氧化还原法生产的氧化石墨烯。石墨片层数量不等贝语网校，表面存在大量缺陷和功能基团，无论是导电性、导热性还是力学性能，都与获得诺贝尔奖的石墨烯有较大差别物理学家铝电池，严格来说，不能称之为“石墨烯”。
“石墨烯电池”这个词语时下非常火爆，事实上，国际锂电池学术界和产业界至今未曾提过“石墨烯电池”这个词，看来“石墨烯锂电池”还真是一个被炒作的概念。
根据美国比较权威的石墨烯网站-info的介绍，“石墨烯电池”的定义就是在电极材料中添加了石墨烯材料的电池。在我看来，这种解释明显具有误导性。按照经典的电化学命名法，一般智能手机使用的锂离子电池应该命名为“钴酸锂-石墨电池”。
图3 石墨烯微型超级电容器
之所以叫“锂离子电池”，是因为索尼在1991年将18650锂离子电池投放市场时，考虑到经典的命名方式过于复杂，一般人难以记住，而且充电放电过程是通过锂离子的迁移来实现的，体系中不含金属锂，所以才叫“离子”。最终“锂离子电池”这个名字被全世界广泛接受，这也体现了索尼在锂电池领域的特殊贡献。
目前商业化的锂离子电池几乎都采用石墨负极材料，在负极性能差不多的情况下，锂离子电池的性能很大程度上取决于正极材料，所以现在锂离子电池也有按照正极来叫的，比如磷酸铁锂电池（比亚迪所谓的“铁电池”不在本文讨论范围内）、钴酸锂电池、锰酸锂电池、三元电池等等，都是指的正极。
石墨烯在锂电池中的可能（唯一可能）应用
负极：
1、石墨烯单独作为负极材料；
2、与其他新型负极材料，如硅基、锡基材料、过渡金属化合物形成复合材料；
3.负极导电添加剂。
正极：主要作为导电剂添加到磷酸铁锂正极中，提高倍率和低温性能；也有研究将其添加到磷酸锰锂、磷酸钒锂中，提高循环性能。
石墨烯功能涂层铝箔的实际性能并不比普通碳涂层铝箔（由A123和汉高开发）好多少，相反成本和工艺复杂度都增加不少，该技术商业化的可能性很低。
从上面的分析可以清楚的看出，石墨烯在锂离子电池中可能发挥作用的领域只有两个：直接用作负极材料和用作导电添加剂。
图4 石墨烯包覆锰酸锂工艺示意图
单独使用石墨烯作为锂电池负极材料的可能性
纯石墨烯的充放电曲线与高比表面积硬碳、活性炭材料非常相似，都存在首次循环库仑效率极低、充放电平台过高、电位滞后严重、循环稳定性差等缺点，这些问题其实是高比表面积无序碳材料的基本电化学特性。
石墨烯的振实密度极低，价格极其昂贵，无法直接替代石墨材料作为锂离子电池负极，既然单独使用石墨烯作为负极不可行，那么石墨烯复合负极材料又如何呢？
石墨烯与其他新型负极材料，如硅基、锡基材料、过渡金属化合物等复合形成复合材料，是目前“纳米锂电池”最热门的研究领域，过去几年已发表数千篇论文。复合的原理一方面是利用石墨烯片层的柔韧性来缓冲这些高容量电极材料在循环过程中的体积膨胀，另一方面石墨烯优异的导电性可以改善材料颗粒间的电接触，降低极化。这些因素都可以提高复合材料的电化学性能。
但并不意味着只有石墨烯才能达到提升效果，笔者的实践经验表明，综合运用常规碳材料复合技术和工艺，也能达到类似甚至更优的电化学性能。例如Si/C复合负极材料，与普通干法复合工艺相比，复合石墨烯并没有明显提高材料的电化学性能，相反，由于石墨烯的分散性和相容性，增加了工艺的复杂性，影响了批次稳定性。
如果综合考虑材料成本、生产工艺、加工性以及电化学性能等因素，我认为石墨烯或石墨烯复合材料实际用于锂电池负极的可能性很小，产业化前景黯淡。
图5 石墨烯负极材料
使用石墨烯作为导电剂的可能性
现在锂电池中常用的导电剂有导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、Super P等，部分电池厂家也开始在动力电池中使用碳纤维（VGCF）、碳纳米管（CNT）作为导电剂。
石墨烯作为导电剂的原理是其特殊的二维高比表面积结构带来的优异的电子传输能力。从目前积累的测试数据来看，VGCF、CNT和石墨烯相较于Super P在倍率性能上都有一定程度的提升，但三者在电化学性能提升程度上的差异很小，石墨烯并未表现出明显的优势。
那么，通过添加石墨烯，是否就能让电极材料性能爆发式增长呢？答案是否定的。以手机电池为例，电池容量的提升主要得益于LCO工作电压的提升，在目前的i-Phone 6上将上限充电电压由4.2V提升到4.35V，使得LCO容量由/g逐步提升至/g（高电压LCO必须经过体掺杂和表面涂覆等改性措施），而这些提升与石墨烯无关。
也就是说，如果采用截止电压4.35V、容量/g的高压钴酸锂，无论你添加多少石墨烯，都不可能将钴酸锂的容量提高到/g，更别说动辄就能将容量提高几倍的所谓“石墨烯电池”了。难道通过添加石墨烯就能提高电池的循环寿命吗？这也是不可能的事情。石墨烯的比表面积比CNT大，加到负极只能形成更多的SEI，消耗锂离子，所以CNT和石墨烯一般只能加到正极，提高倍率和低温性能。
但石墨烯表面丰富的功能基团，都是石墨烯表面的小伤口，添加过多，不仅会降低电池的能量密度，还会增加电解液的吸收量，另一方面也会增加与电解液的副反应，影响循环性，甚至可能引发安全问题。那么成本呢？目前石墨烯的生产成本极其昂贵，市面上所谓的廉价“石墨烯”产品，基本都是氧化石墨烯。
即便是氧化石墨烯的成本也高于CNT物理学家铝电池，而CNT的成本又高于VGCF。从分散性和加工性来看，VGCF比CNT和石墨烯更易操作，这也是昭和电工的VGCF逐渐进入动力电池市场的原因。可以看出，石墨烯作为导电添加剂使用时，在性价比方面，目前并不比CNT和VGCF有优势。
目前石墨烯在国内的火爆情况，让我想起了十几年前的碳纳米管（CNT）。如果将石墨烯与CNT进行比较，就会发现二者有着惊人的相似之处，拥有许多几乎完全相同的“奇特性能”。CNT的这些“神奇性能”如今已完全应用在石墨烯上。CNT在上世纪末开始在国际上流行起来，并在2000年至2005年间达到顶峰。据称CNT功能多样，在锂电池领域拥有许多“独特性能”。
然而二十多年过去了，我们依然没有看到CNT的这些“独特性能”在哪个领域真正大规模应用，在锂电池领域，CNT作为正极导电剂在LFP动力电池中也只是近两年才开始小规模试验（性价比还是不如VGCF），LFP动力电池注定不会成为电动汽车的主流技术路线。
相比CNT，石墨烯在电化学性能上与其十分相似，并没有什么特别之处。相反，生产成本更高，生产过程对环境的污染更大，实际操作和加工性能也更困难。以我多年锂电池研发和生产经验，我不认为石墨烯在锂离子电池领域会有太大的实际应用价值。目前所谓的“石墨烯电池”纯属炒作。对比CNT和石墨烯，我想说“历史总是在重演”！
图6 碳纳米管负极材料
关于石墨烯实际应用的推测
石墨烯未来在锂离子电池中的应用前景微乎其微。相比锂离子电池，我觉得石墨烯在超级电容器，特别是微型超级电容器中的应用前景似乎更靠谱一点，但还是要警惕一些学术上的炒作。
其实，看了很多这些所谓的“学术突破”之后，你会发现很多教授在论文中有意无意地混淆了一些基本概念。商用活性炭超级电容器的能量密度一般在7-8Wh/kg，指的是包括所有部件在内的整个超级电容器的器件能量密度。教授们提到的突破一般都是指材料的能量密度，所以实际的石墨烯超级电容器远没有论文中说的那么好。
相对而言，微型超级电容器的成本要求没有普通电容器那么严格，采用石墨烯复合材料作为电化学活性材料，选择合适的离子液体电解质，有可能制备出兼具传统电容器和锂离子电池双重优势的储能装置，在微机电系统（MEMS）等细分领域，可能（仅可能）具有一定的应用价值。
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