鋰電池傳統(tǒng)制造強國是日本和韓國，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機。但發(fā)明石墨烯的英國也有很大的突破，同時在歐洲德國的石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也不容小覷。同時我們也應(yīng)該意識到我國在石墨烯商業(yè)化應(yīng)用上全球還是處于領(lǐng)先地位。認(rèn)清當(dāng)前形勢，才能更好的發(fā)展被寄予很多希望的石墨烯。

英國科學(xué)家發(fā)明石墨烯10年后，在電池上的應(yīng)用獲得巨大突破。12月初，西方媒體報道，西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研發(fā)的石墨烯電池，一次充電時間只需8分鐘，可行駛1000公里。它被石墨烯研究者稱做“超級電池”。

“我們現(xiàn)在還在了解情況，正在求證西班牙這種電池的具體情況，如果確認(rèn)是這樣的，那確實是革命性的變化出來了。”中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長李義春12月24日對筆者稱。

西班牙的“超級電池”很快將像特斯拉一樣應(yīng)用于汽車上，據(jù)西方媒體報道，它的擁有者12月在德國兩大汽車巨頭的汽車上進行試驗，并在2015年第一季度生產(chǎn)上市使用。

石墨烯充電時間接近加油

目前，全球汽車制造商使用的動力電池主要使用鋰電池，以特斯拉為代表的鎳鈷鋁酸鋰電池(鈷酸鋰電池)、以比亞迪為代表的磷酸鐵鋰電池和以日本汽車為代表的錳酸鋰電池。

這三類電池以鈷酸鋰電池能量密度最高，但它在高溫下也最不穩(wěn)定;磷酸鐵鋰電池最穩(wěn)定，但能量密度最低。

鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)沉寂了20年沒有大的技術(shù)革新。一位研究動力電池的專家稱，其最大的障礙在于，鋰離子電池功率密度有限，其大量能量無法快速接收或釋放。

特斯拉升級版的Roadster3.0采用了改進過的鋰電池，特斯拉沒有確認(rèn)是否加入了石墨烯。不過，它的性能有大幅度的提升，恐怕只有石墨烯能做到。新改進的18650型鋰電池的容量大幅度加大，6831節(jié)電池組數(shù)量沒有增加，但電池組的總?cè)萘繌?3kWh提高到了70kWh。

據(jù)接受采訪的專家介紹，石墨烯的結(jié)構(gòu)可以改變鋰電池技術(shù)長期沒有突破的障礙。石墨烯片材內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隔擴大，以允許更多的電解質(zhì)“潤濕”及鋰離子電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能。

“石墨烯的特點是導(dǎo)電速度快，導(dǎo)電性能好，目前很多研究都在實驗，具體哪一塊很難說，不過縮短充電時間等是肯定的。”李義春說。按照美國倫斯勒理工學(xué)院研究人員的預(yù)計，石墨烯陽極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽極充電或放電速度快10倍。

按照西班牙上述機構(gòu)的數(shù)據(jù)，石墨烯也可能大幅度增加電池的容量。“超級電池”參數(shù)顯示，其能量密度超過600wh/kg，是目前動力鋰電池的5倍;使用壽命是目前鋰電池兩倍;其成本將比目前鋰電池降低77%。

鋰電池傳統(tǒng)制造強國是日本和韓國，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機，韓國科學(xué)家早在去年11月就宣布，最新發(fā)明的石墨烯超級手機電池，可存儲與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時間只需16秒。

日本在電池技術(shù)上實行兩條路線并行，除了發(fā)展普通意義上的鋰電池，他們還研究燃料電池技術(shù)，用特制的石墨烯材料替代鉑作為催化劑，來制造燃料電池車所需的氫燃料，獲得突破。

據(jù)李義春介紹，目前石墨烯的研究總體上分兩塊：一是在傳統(tǒng)鋰電池上進行應(yīng)用，目的是改進、提升鋰電池的性能，這類電池不會產(chǎn)生顛覆性的影響;二是依據(jù)石墨烯制造一個新體系的電池，它是一個嶄新系列的，在性能上是顛覆性的，稱作“超級電池”。

中國2015年量產(chǎn)石墨烯鋰電池

新能源汽車推廣長達5年，但效果并不理想。據(jù)工信部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2014年前11個月，我國新能源汽車?yán)塾嬌a(chǎn)5.67萬輛，和2015年純電動汽車和插電式混合動力汽車?yán)塾嫯a(chǎn)銷量力爭達到50萬輛的目標(biāo)差距巨大。

市場化艱難的主要原因在于使用的便捷度上：一是續(xù)航里程較低，消費者普遍有里程焦慮;二是充電設(shè)施不完善，充電不方便影響使用。

在傳統(tǒng)的解決方案中，車企采用了先推廣混合動力車型緩解里程焦慮，消費者可以根據(jù)實際情況選擇用油或者用電;另一個角度，國家鼓勵大規(guī)模建設(shè)充電站和充電樁，緩解充電難。

石墨烯超級電池的出現(xiàn)，可能徹底改變現(xiàn)有的充電問題。續(xù)航里程成倍增長，長途出行的里程焦慮可能徹底打破。以西班牙的超級電池為例，1000公里的續(xù)航里程幾乎接近北京到上海的直線距離，遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)汽車一箱油的行駛距離。

石墨烯充電速度提升，可以減少充電時間，宏觀上可以大范圍減少充電站和充電樁的需求。以目前全球領(lǐng)先地位的特斯拉ModelS85為例，其通過大功率的超級充電站充電，也要80分鐘才能充滿，車主等充電的時間仍然是一次煎熬。

“超級電池10分鐘的充電時間，比加一次油時間長一點點，但續(xù)航里程比一箱油要長很多，消費者再也不會抱怨。”一位汽車業(yè)內(nèi)人士分析稱。

目前，油電混合動力車被認(rèn)為是市場上最適合由燃油車過渡到電動車的最好產(chǎn)品，而且這個過渡階段可能長達15-20年，但電池材料的進步可能推翻這種預(yù)判，甚至連純電動車的普及也可能不需要那么長時間。

“超級電池”一旦大規(guī)模應(yīng)用到電動車上，對整個行業(yè)將是顛覆性的。“一些百年車企可能沒有這項技術(shù)而衰落，而一些只有十幾、二十年的車企，因為掌握新材料技術(shù)，可能成為新的巨頭。”

李義春介紹說，目前國內(nèi)對石墨烯電池的研究進展順利，一些高校研發(fā)團隊和深圳的企業(yè)進行合作，研究已經(jīng)進入了中試階段，“預(yù)計2015年上半年就可能實現(xiàn)量產(chǎn)，性能會有很多提升。比如可以在不增加多少成本前提下，增加鋰電池的充放電次數(shù)，提高電池安全性等。”

中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟在2013年就已經(jīng)向國家各部委上報了多個石墨烯研發(fā)示范基地，無錫、重慶、南京、青島、常州等紛紛建立石墨烯產(chǎn)業(yè)示范基地。2014年12月，國家主席習(xí)近平親赴江蘇高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院，調(diào)研石墨烯研發(fā)及參觀產(chǎn)品展示。

不過，據(jù)石墨烯電池研究人士透露，目前國內(nèi)主要研究的是石墨烯運用到鋰電池上，而非全新體系的“超級電池”，所以國內(nèi)技術(shù)和超級電池有一定差距。國家相關(guān)部門對此很重視，2015年出臺的“十三五”新材料規(guī)劃可能將石墨烯納入其中。

德國石墨烯行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r概覽

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈-海姆和康斯坦丁-諾沃肖洛夫最早發(fā)現(xiàn)并揭示了石墨烯的獨特性質(zhì)。此后，歐洲作為石墨烯的誕生地，開始提前布局這一領(lǐng)域。德國作為歐洲較早研究石墨烯的國家，在2009年即宣布投入巨資研究這種即將在未來改變?nèi)祟惿畹纳衿娌牧稀１M管取得的科研成果頗豐，但時至2015年，德國的石墨烯商業(yè)化進程仍頗為緩慢。雖然石墨烯未來可能在信息技術(shù)、能源、交通、醫(yī)療保健等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，但距離真正走進人們的生活，相差的可能不僅僅是“一步之遙”。

背景資料：

德國石墨烯行業(yè)發(fā)展政策與規(guī)劃德國科學(xué)基金會（DFG）在2009年7月宣布開展時間跨度為6年的石墨烯新興前沿研究項目，該項目的目的是提高對石墨烯性能的理解和操控，以建立新型的石墨烯基的電子產(chǎn)品。2010年DFG啟動了優(yōu)先研究項目——石墨烯（SPP1459），包括38個研究項目，前3年預(yù)算經(jīng)費為1060萬歐元。

基金資助領(lǐng)域主要包括：適合石墨烯基電子設(shè)備的制備；石墨烯電子、結(jié)構(gòu)、機械、振動等性能表征與操控；石墨烯納米結(jié)構(gòu)制備和表征及性能操控；石墨烯與襯底材料、柵極材料相互作用的理解和控制；輸運研究（如聲子和電子傳輸、量子傳輸、彈道輸運、自旋運輸）、新型裝置示范（如場效應(yīng)器件、等離子器件、單電子晶體管）以及石墨烯的理論研究（如石墨烯電子和原子結(jié)構(gòu)、電子聲子運輸、自旋、石墨烯機械和振動性能、納米結(jié)構(gòu)、器件模擬）等。

最新成果：

石墨烯光電探測器：

2012年10月，慕尼黑工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家開發(fā)出一種方法，首次將測量到的石墨烯內(nèi)光電流的時間分辨率提高到皮秒范圍，這允許他們探測僅僅為幾皮秒的脈沖。

光電探測器的核心在于通過金屬接觸融入電路的自由懸浮態(tài)的石墨烯。光電流的時間動態(tài)可通過名為“共平面帶狀線”的方法測量，該方法由特殊的時間分辨激光光譜程序，即泵浦探測技術(shù)所評估。激光脈沖會激發(fā)石墨烯中的電子，而這一過程的動態(tài)會被另一束激光所監(jiān)控。有了這項技術(shù)，物理學(xué)家能精確監(jiān)視石墨烯中的光電流究竟如何產(chǎn)生。

科學(xué)家還利用新方法進一步觀察后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯被光刺激時，可散發(fā)太赫茲（THz）范圍的輻射，這位于紅外光和電磁光譜中的微波輻射之間。關(guān)于太赫茲輻射的特殊之處在于，它顯示了相鄰頻率范圍的共享屬性，其可以像粒子輻射般捆綁，也滲透了電磁波的特性。這使其成為了材料試驗的理想備選，并可應(yīng)用于特定的醫(yī)療領(lǐng)域。

納米級碳纖維導(dǎo)線

未來的電子元件將微小到分子級別。這些微小的元件將取代目前硅晶的地位，成為計算機處理器的核心。馬克思˙普朗克研究所正在研究的一種被稱為石墨烯的納米級碳纖維。位于柏林的弗里茨－哈勃－研究所，是馬克思˙普朗克研究所旗下的機構(gòu)。該機構(gòu)展示了一種納米導(dǎo)線，可以在分子級別的晶體管或其他元件之間傳遞電流。這種極細(xì)的導(dǎo)線由一條石墨烯窄帶組成。研究人員用掃描隧道顯微鏡，在不同長度和電流的強度的條件下，測量其導(dǎo)電系數(shù)。“通過實驗我們可以了解，電流在石墨烯納米帶上會產(chǎn)生什么效果”，研究人員解釋說。

首先，研究人員要確定，他們的納米導(dǎo)線是否是完美的導(dǎo)體，導(dǎo)線長度是否會影響其導(dǎo)電性能。為此，研究人員必須進行一種頗為棘手的實驗：他們要在不同的電壓下，觀察石墨烯帶在不同長度下的電流。因此研究人員要用一條石墨烯帶，將掃描隧道顯微鏡的尖端與一塊黃金的表面相連。

在電壓較高的情況下，石墨烯帶很容易燒毀“，馬提亞斯˙科赫（MatthiasKoch）說，此次試驗即是他博士論文的主題。”雖然我們在試驗中掌握了一些竅門，但也要嘗試多次，才能成功將二者相連。“

測量發(fā)現(xiàn)，電流經(jīng)過石墨烯的方式與經(jīng)過銅線不同。電子在石墨烯中以量子的隧道效應(yīng)方式的通過。而經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為只有量子才能以此方式通過，這對于其它物質(zhì)是一重?zé)o法跨越的屏障。

需要跨越的距離越遠(yuǎn)，到達另一端的電子就越少。”因此，納米導(dǎo)線的導(dǎo)電性與其長度相關(guān)“，科赫說。以隧道效應(yīng)通過的電子，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于同等條件下使用傳統(tǒng)導(dǎo)體通過的電子。

石墨烯原子磁化狀態(tài)：

來自瑞士、德國和美國研究人員組成的研究團隊揭開了石墨烯原子與金屬基底材料之間的聯(lián)系，原來墨烯上原子的磁化狀態(tài)，被石墨烯所生長的金屬基底材料悄悄“操控”著。研究團隊認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用在未來的計算裝置上。

在研究吸附于單層石墨烯上的鈷原子時，研究人員注意到其產(chǎn)生了面內(nèi)磁化；但是，當(dāng)石墨烯生長于釕基底上，鈷原子的磁化效應(yīng)又搖身一變，成為面外磁化。經(jīng)過多次實驗，研究人員認(rèn)為，通常來說，石墨烯上原子的磁化狀態(tài)會受到所用初始金屬基底材料類型的影響。這一發(fā)現(xiàn)意味著磁化過程可以“私人訂制”，為基于原子自旋狀態(tài)而制備的自旋電子器件材料帶來了新可能。

更進一步，研究人員還發(fā)現(xiàn)碳原子與基底材料之間相互吸引力的強弱也取決于基底材料的金屬種類。比如說，如果用釕做基底，可觀察到強吸引力；但如果基底換成銥或鉑，則表現(xiàn)出極其微弱的吸引力。研究人員解釋說，這是因為所使用的金屬材料不同，碳原子和金屬原子之間的距離遠(yuǎn)近也不同；反過來，這也意味著碳原子和金屬基底兩者之間的電子轉(zhuǎn)移同樣會受到影響，最終不同類型的石墨烯片層得以產(chǎn)生。

商業(yè)化應(yīng)用：

日前，西班牙Graphenano公司與西班牙研究機構(gòu)研發(fā)出全球首例石墨烯聚合材料電池。德國兩大知名汽車廠商將在近期進行這款電池的相關(guān)試驗。如果試驗順利，這種石墨烯聚合材料電池可能得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。

盡管德國于2009年就開始投入大量資金進行石墨烯方面的研究，但其產(chǎn)業(yè)化成果并不突出。這也說明對于石墨烯這種新興材料，目前世界各國幾乎處于同一起跑線上。誰在低成本、大規(guī)模量產(chǎn)上有所突破，誰就將獲得產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先機。