能源公开课 | 石墨烯与储能及电池应用（最全科普+资料电子书）

诺贝尔奖

“新材料之王”

学界、产业界、资本市场为之疯狂

说的就是石墨烯

现在流传着多种“石墨烯”的解读

比如颠覆储能与锂电池、让沙特破产…

但也有专家辟谣：石墨烯还是实验室技术，商用为时过早

但股票市场已经迫不及待跟风猛涨

【无所不能 文|张亦弛】神奇也好，炒作也罢，石墨烯能否真正能担得起“新材料之王”的美誉，在哪些方面具有发展前景，可能还需要相对细致的分析。

石墨烯首先“热”在其众多出色的理论性能上。超过100GPa的抗拉强度，TPa量级的弹性模量，超过5000W/m•K的室温热导率，约20m2/V•s的载流子迁移率，高达97.7%的透光率，超过2000m2/g的比表面积……毫不夸张地说，石墨烯在力、热、电、光等诸多领域的超高理论性能使它在研究领域完全承担得起“新材料之王”的美誉。

然而，任何一种材料，如果能够在某一或某些领域得到应用，按照“一分钱一分货，两毛钱两分货，三块钱三分货”的性能-价格曲线，或者需要拥有出众的性能，或者需要拥有出色的性价比，石墨烯也不例外。若想从出色的理论性能走向成功的规模化实际应用，对于原料储量极大的石墨烯而言，其生产工艺既决定着产品的实际性能，又在相当程度上影响着产品的成本。

当前，石墨烯的主要生产方法包括剥离法、SiC外延生长法、氧化石墨还原法、化学气相沉积法等。当前尚不存在一种可以兼顾高性能、大尺寸与低成本的石墨烯生产方法。对于产品成本最低的氧化石墨还原法而言，虽然设备、原料成本较低，且相对适合规模化制备，但是其工艺流程中需使用大量酸，导致产物层片堆叠，结构复杂，且包含不可避免的组元缺陷，以致力学、电学性能大打折扣。最终其石墨烯产品需要在成本和金属银成本相似，且实际性能与理论性能差距较大的条件下寻找合适的应用场景；而对于产品综合性能较好的SiC外延生长法、化学气相沉积法而言，其成本要大大高于氧化石墨还原法，进一步压缩了产品的应用空间。

那么，在研究相对比较“火”的石墨烯应用领域与潜在应用领域中，哪些是相对“靠谱”的，哪些则并不那么乐观呢？

1.石墨烯半导体

首先值得提出的是石墨烯半导体，或者说用于替代硅的深亚纳米尺度石墨烯基集成电路。高饱和载流子迁移率、高导热能力等性能指标是石墨烯的诱人之处，有助于实现更快的运算速度，但是石墨烯在基本性能和制作工艺上都还存在着不利于集成电路化的明显短板。

基本性能上，石墨烯还无法满足集成电路的基本单元——晶体管——的性能要求。一个晶体管需要具备良好的开关特性，亦即大的开电流（表示1），小的关电流（表示0），以及极短的转换时间。石墨烯本身不具备带隙，无法满足开关电流比的要求，也就无法制成拥有合格开关特性的晶体管。当前的研究中，如何使石墨烯具备合适的带隙是非常热门的工作，但我们还在共同期待突破性成果的出现。

制作工艺上，当前还无法实现大尺寸、高均匀性（与晶硅相比）的石墨烯的规模化低成本制备，也就谈不上后续的集成电路工艺。毕竟硅基集成电路从单晶硅锭生产开始，晶片制备、扩散掺杂、热氧化、离子注入、热处理、光刻、金属化、封装等工艺已经利用丰度极高的硅元素形成了完整的体系，并直接成为当今移动互联网时代的物质基础。

综上所述，石墨烯半导体距离取代硅的“老大”地位还有相当遥远的距离。

2.石墨烯透明导电材料

接着制得关注的是石墨烯透明导电材料。众所周知，我们目前的智能手机使用的触摸屏有赖于透明导电膜材料ITO——氧化铟锡。其核心元素，稀有的金属铟全球探明储量仅有约1.6万吨，且价格一再上涨。同时，氧化铟锡质脆无法与柔性应用兼容，故寻找合适的替代材料刻不容缓。石墨烯优秀的透光性和导电性使其成为纳米金属（如纳米银）透明导电膜之外的另一种透明导电膜候选材料。与纳米金属相比，石墨烯在成本上具备培养竞争力的能力，其原料来源上的绝对优势和工艺技术进步的可能性使得石墨烯透明导电膜的应用前景相对光明。

如果我们能够实现大面积均匀石墨烯膜的相对低成本制备，那么透明导电膜的应用将以我们目前见到的智能手机、平板电脑、笔记本电脑触摸屏为起点向生活的方方面面渗透，打造一个与《三体2：黑暗森林》中描述的地下世界相似的，触摸屏、智能触摸设备无处不在的智能世界将相当程度上不再是科幻。

3.石墨烯电油墨领域应用

和透明导电材料类似，石墨烯在导电油墨领域的应用同样值得关注。据报道，石墨烯导电油墨的电导率与纳米金属导电油墨相当，而其成本较后者低；和传统碳基导电油墨相比，石墨烯导电油墨的性能优势比较明显。如果油墨配方得到进一步优化以提升其综合性能及设备兼容性，则石墨烯导电油墨有希望大规模抢占导电油墨（尤其是中高端）市场。

4.石墨烯与储能技术

石墨烯与储能的结合受到业界关注，石墨烯出色的电导率和极大的比表面积使其具有超级电容器电极材料的应用潜力，有希望在保持超级电容器功率密度高、循环寿命和日历寿命长、功率密度高优点的基础上进一步提升其能量密度，获得更出色的综合性能。以我国中车的研究成果为例，分别适合有轨电车主驱动和无轨电车主驱动的“3伏/12000法拉石墨烯/活性炭复合电极超级电容器”和“2.8伏/30000法拉石墨烯纳米混合型超级电容器”经院士专家评审组认定，已经代表了世界超级电容单体技术的最高水平，可以认为石墨烯超级电容器的关键技术问题已经取得了突破性进展。如果石墨烯的制备工艺进一步完善，成本得到降低，那么石墨烯超级电容器的应用前景将进一步明朗化。至于最终性能的改善是否与成本的增加相匹配，或者最终同时实现性能提升与成本降低的效果，还需要市场来作评判。

除了用于超级电容电极材料之外，业界也对石墨烯在电池尤其是锂离子电池领域的应用有浓厚的兴趣，各种“石墨烯电池”的新闻经常占据笔者朋友圈的显著位置，其真伪也常常成为讨论的热门话题。

理论上说，石墨烯在锂电池中的定位有两个，导电材料（或添加剂）和负极材料。在当前锂电池的成本体系下，不论导电材料还是负极材料的价格都处在一个相当低的水平上，比石墨烯的价格低不止一个数量级；当前导电材料和负极材料的综合性能距离碳材料的理论上限也并不遥远。这也就说明，石墨烯材料需要同时满足非常大的性能改善幅度和出色的工艺兼容性条件，才有可能在成本大幅降低的锂电池材料体系中分得一杯羹，而这个可能性并不大。所以说，石墨烯直接用于锂电池导电添加剂或者负极材料其实并不是很明智的选择。相对而言较好的选择是考虑将石墨烯等改性材料用于理论容量大大高于碳负极的硅负极，制备特殊的石墨烯（可能复合碳纳米管）-硅复合材料负极，以试图在抑制硅嵌入-脱嵌锂过程中负极材料体积剧烈变化的不利影响时尽量保留较多的负极容量。当然这个过程除了大量的研究工作之外也离不开成本与工艺方面的考虑。

石墨烯在其他类型电池中的应用同样具有可能，如石墨烯铅酸电池、铝-石墨烯-氧电池等。可以预见的是，以当前的石墨烯成本，任何一种“石墨烯电池”如果试图在储能市场打出一片天地，出类拔萃的性能表现是必不可少的。

5.石墨烯的力学应用

说完了电学相关应用，我们再就石墨烯的力学相关应用谈一例。“石墨烯防弹衣”是个很有趣的概念，研究者称用一个微小的硅粒以300米/秒，约3倍于步枪子弹的速度向单层石墨烯射击，得出了石墨烯强度比凯夫拉纤维强2倍，比钢铁强10倍的结论。虽然如此，笔者以为石墨烯用在防弹装备上的前景不甚明朗。首先，实验是以单层石墨烯为实验对象完成的，将非常多的单层石墨烯叠层复合（即使以单层石墨烯厚度1nm计，复合到宏观厚度0.1毫米也至少需要100,000层）将是难以想象的复杂工作；其次，石墨烯层数增加则综合性能劣化，如果使用多层石墨烯则效果如何不可估计太乐观。也许石墨烯复合材料最终在强度上会有一定程度的进步，但是笔者不敢奢望在其综合性能-成本会比目前的凯夫拉纤维出色太多。

6.石墨烯的传感器类应用

石墨烯有一大类很有趣的应用，也就是各式传感器的应用。见诸报端的内容包括各种高敏感度气体传感器，光敏传感器，生物传感器、电化学传感器等等。笔者认为，如果实验结果可信，则石墨烯传感器是极具前途的石墨烯应用途径。一方面传感器对石墨烯的用量不大（相比于大规模储能的潜在应用尤其如此），另一方面石墨烯的比表面积大，灵敏度非常高，可谓真正的“好钢用在刀刃上”。当然，石墨烯的二维结构带来的奇特物理化学性质还有待进一步研究，其研究结论也可能催生新的应用思路甚至新的应用领域。

业界对石墨烯的研究也不乏担忧的声音，石墨烯对环境的影响、对生命体的影响尚无明确结论，而这一部分工作在石墨烯的应用研究方兴未艾时也应该同步展开，并尊重公众的知情权。否则，我们在生活在一个最好的时代同时，也摆脱不了最坏的时代的隐忧。

最后，请允许笔者向奋战在研究一线与生产一线的科学家与工程师们，致以衷心的敬意。创新立国，实业立国。

清华大学能源互联网创新研究院刘冠伟博士、清华同方林悦贤先生对本文的成文亦有贡献，在此表示感谢。

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12月14日（下周三），在无所不能微信群里，本书编审之一清华大学材料科学博士张亦弛老师与刘冠伟博士还将做客能源公开课，在微信群里与大家分享“石墨烯应用与储能”的最新动态。包括：

1.石墨烯基本性质介绍

2.石墨烯与锂电池、储氢、超级电容及第三代半导体相关应用及进展

3.石墨烯商业应用关键条件

4.储能技术发展趋势

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