走进“超级材料”——石墨烯
探索石墨家族“小儿子”的前世今生！
在上一期《负极材料与石墨家族风云(上)：马斯克一句话，让“长子”石墨身价暴增》（点击阅读）中，我们领略了动力电池核心部件负极材料与石墨家族之间的“爱恨情仇”。
我们了解到，尽管现阶段石墨占据了市场的绝对优势，但随着新能源汽车对高能量密度的追求，石墨家族“小儿子”石墨烯正逐步走进行业视野，同“长子”石墨在负极材料的“夺嫡之战”在悄然进行。
石墨烯与石墨家族有着千丝万缕的联系，但石墨烯究竟是什么？他是如何诞生的？为何说他是家族的“超级英雄小儿子”？本期，船长带各位来一探石墨烯的究竟。
出品 | 麦腾研究院 Mytech Institute
作者 | 尼摩船长
家族幼子诞生记——
胶带“撕出来”的诺贝尔奖？
石墨烯脱胎于平凡且普遍的石墨家族。学术角度来解释二者关系，石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
通俗解释就是，石墨烯就是石墨中一层薄到我们肉眼看不见的原子厚度的2D材料，如果用石墨烯单层做一件衣服，那将是真正的“皇帝的新衣”。再打个比方，我们拿起铅笔在纸上轻轻写一笔的痕迹中，可能就会有几万层到几十万层的石墨烯。（因为铅笔芯的主要成分就是石墨）
▲ 藏身铅笔的材料新贵——石墨烯（来源：公开资料）
“小儿子”的出生就充满了传奇色彩，带着诺贝尔桂冠诞生的石墨烯，正可谓是出生即巅峰。石墨烯于2004年出生于实验室，是由英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫创造。两位科学家依靠对石墨烯的突破性研究成果，获得了由瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔物理学奖。那么如果说，小儿子是被用胶带撕出来的，各位是否觉得不可置信？
▲ 2010年的诺贝尔物理奖，颁发给了在英国的两位物理学家盖姆(Andre Geim)和诺奥肖洛夫(Konstantin Novoselov)，表彰他们对石墨烯(graphene)研究的贡献（来源：公开资料）
事情是这样的，两位科学家发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们将石墨分离成较小的碎片，将薄片的两侧粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带石墨片也一分为二。不断地这样操作就可以得到越来越薄的石墨薄片，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。石墨烯被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质。
石墨烯不仅在强度方面表现优异，在导电性、导热性等多方面，小儿子也都具备着天赋异禀的惊人能力。
▲ 石墨烯材料集多种优异性能于一体，是主导未来高科技竞争的超级材料，市场前景巨大，有望催生产业规模千亿元（来源：中国制造2025）
如此，石墨烯方能被誉为“21世纪材料之王”，也是石墨家族百年难遇的“超级材料”。
众说纷纭
石墨家族是否会“废长立幼”？
说回石墨家族与动力电池的渊源，上期船长讲到过，目前长子石墨仍把持着电池负极材料99%以上的市场，但近年来，随着小儿子石墨烯的诞生、且针对其应用研究更进一步的深入，渐渐电池产业链各界对石墨烯的呼声越来越响，但同样也存在一小部分唱衰的声音说石墨烯是“智商税”，那么是石墨烯到底是否可以取代石墨在负极领域的家族地位呢？
首先需要声明的是，迄今为止，石墨烯电池还未实现规模化量产和应用，各大厂商也还在探索阶段。
那么理论角度来看，石墨烯的确具备强大的竞争力。首先，石墨烯储锂具备高比容量(比容量可达700~2000 mAh/g)，远高于石墨，也就是说石墨烯比石墨便于更多的锂离子“贴贴”。其二，高充放电速率。石墨烯的导电率是铜的15倍，是目前世界上已知的电阻率最小的材料。根据广汽此前的说法，如果搭载了石墨烯基超级快充电池的车型，8分钟可充电80%，这将是一个奇迹般的快充速度。能量密度和导电速度都高人一等的石墨烯自然是被寄予了家族的厚望。
回归现实，中短期看来石墨烯无望取代长兄地位，但未来仍可期。首先就是石墨烯昂贵的成本问题，现阶段石墨烯由于制造难度高导致产量非常有限，这也致使石墨烯的价格非常高，成本的飙升将会直接导致下游新能源车价的飙升。其次，从其性能角度看，石墨烯存在首次循环库仑效率极低、充放电平台过高、电位滞后严重以及循环稳定性较差的缺点。因此，在量产问题未解决、部分性能技术未突破的情况下，石墨烯暂时并不具备取代石墨的实力。但是长远来看，我们仍可以期待石墨烯缔造电池奇迹，毕竟电池行业龙头纷纷下场布局石墨稀，何尝不是一种风向标？天能电池“高能量石墨烯复合改性铅基动力电池关键技术及产业化”荣获浙江省科技进步奖二等奖、“石墨烯/硫酸铅复合材料的铅蓄动力电池关键技术研究及产业化”荣获安徽省科学技术奖二等奖；国轩高科成立唐山子公司航天国轩致力于石墨烯材料的研发与应用；杉杉股份已经拥有年产约400吨的石墨烯导电浆料生产线……船长不逐一列举了，这些也足以证明行业对小儿子的珍爱。
“超级英雄小儿子”大有可为
终会“飞入寻常百姓家”
既然说石墨烯是“超级英雄”，自然是因为其优异的性能可以在诸多行业“发光发热”。由于他具备优异的光学、电学、力学特性，在材料学、电子信息、新能源、生物医学和热管理等方面都具有重要的应用潜力。
石墨烯目前主要下游应用材料/器件：
▲ 来源：麦腾整理、分析、制图
当下石墨烯应用相对成熟领域主要有防腐涂料、热管理与导电剂。就拿热管理来说，举个近期大家耳熟能详的石墨烯应用案例，在刚过去的万众瞩目的北京冬奥会中，石墨烯就曾在多个场景“散发科技温度”。
二月的冬奥赛场的温度可谓相当低，张家口赛区的气温甚至可低至-20℃左右，但是运动员、志愿者、工作人员的衣服中确暗藏玄机——采用了全球领先的石墨烯纺织物柔性发热材料。衣物中藏有控制装置，开启后可迅速升温至55℃恒温，同时还有45℃和35℃两个档位可供选择。
▲ 应用石墨烯技术的马甲、手套、围巾、袜子等（来源：中新网）
不仅是衣物，我们还有石墨烯版“顶流明星”冰墩墩来送温暖，暖手宝具有45℃、55℃两档温度，让冰墩墩更具实用性。
▲ 石墨烯冰墩墩暖手宝（来源：中新网）
除此之外，石墨烯还在赛场上的加热座椅、地毯、赛场专业设备低温保护等多方面实现科技赋能。
上述应用也仅仅是石墨烯广大应用场景的冰山一角，我们预计在未来，根据其应用技术成熟度的不同，石墨烯的应用场景将逐渐有序全面打开。
▲ 来源：麦腾整理、分析、制图
我国石墨烯产业现在正处于由实验室走向产业化的关键阶段，相信在人才、技术、政策、资本等多重赋能的条件下，石墨烯下游应用市场会逐次实现爆发式释放，呈现产业蓝海。届时这个超级材料就会被广泛应用于各行各业生产制造中，从而成为真正改变我们的日常生活的“黑科技”。
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