帮你正确认识石墨烯和石墨烯电池

帮你正确认识石墨烯和石墨烯电池

“石墨烯”这个词是2010年底突然火起来的，因为那一年的诺贝尔奖颁给了石墨烯的

制备和研究。当时，给大家留下最深印象的就是，原来最早的石墨烯是用透明胶带一层一层

的从石墨上撕下来的。很多人发现靠日用文具都能获得诺贝尔奖，感觉真神奇。

而就在诺贝尔颁奖后的那个冬天，石墨烯发热腰带、石墨烯口罩、石墨烯裤衩儿等老百

姓也能买到的石墨烯产品就纷纷上市了。不久，也有了石墨烯电池。

1.石墨烯能做电池吗？

华为曾经就有两次和石墨烯电池挂上钩：

第一次是在2016年的世界电池大会上。不过华为也专门说了，这个电池里使用石墨烯

之后，可以增强电池的散热，这样电池在非洲这样恶劣的条件下工作时就不会过热。这里并

没体现什么神奇的电特性。

第二次是有媒体称华为要把石墨烯电池用在P40手机里，华为马上就辟谣了。华为还

是比较理工技术派的，这种典型的大忽悠词怎能随便笑纳呢？

石墨烯究竟能不能做成电池呢？

答案很简单，不能。咱们在讲《电池储能：有序的代价》时就说过，称呼电池是什么电

池，都是以正极材料称呼的，因为负极大家普遍用的都是石墨。如果正极用的是钴酸锂，就

是手机里的那种电池。如果正极用的是三元锂、磷酸铁锂，就是电动汽车里用的比较多的。

所以，如果你说这个电池是石墨烯电池，那在它充放电的过程中对电子的输运起主要作

用的就应该是石墨烯。但是，石墨烯不可能承担这个作用。

严格来说，石墨烯就是一层碳膜，只不过它要求碳和碳之间全都以正六边形手拉手连接

好，织成一张大膜。这张膜有很多令人惊讶的特性，特别是能在二维平面导电，在这个平面

上导热也特别好，特别快，而且还结实。单层的一平方米的石墨烯膜，悬空，中间放一只猫，

它都能兜住。要知道，这是一个原子厚度的极薄的膜啊。

但是，所有这些神奇的特性都要求它只是一层碳膜。这句话就是识别二阶科淆产品的关

键。如果它不再是碳了，或者不再是一层膜了，而是十层，那刚刚所有的神奇特性全部瞬间

消失。尽管十层也依然是极薄的，但那也没用，石墨烯顿时就变成了铅笔芯里的石墨。

石墨烯是按克卖的，价格还比黄金贵十倍；而石墨是按吨卖的，一吨两三千块钱，就是

这么大的区别。

所以，即便一个锂电池里加了石墨烯，它也仍然是锂电池，是锂离子承担充放电的功能。

严格来说，是不可能有石墨烯电池的。

2.电池里可以加石墨烯吗？

那么，有没有往锂电池里加石墨烯的呢？

有，不过不多。而且往正极加也行，往负极加也行，作用只有一个，就是用作导电剂。

我们具体举一个例子：

如果家里的车放了三个月都没有启动过，铅酸电池里的电量就会耗光，需要搭电才能启

动。你注意过搭电的细节吗？两个夹子，一个正，一个负，分别夹在电瓶的极耳上，极耳就

是那个圆柱形的凸起。启动的一瞬间，大约是150A的电流。

现在我问你，这150A的电流是从哪儿流过的？你说，是从那个圆柱形的极耳上流过的。

其实不准确。准确的说，是从夹子夹住极耳的那几个锯齿状的接触点流过的。实际上，接触

面积就是那几个点，是很小的。

有一个参数叫作“接触电阻”，它对零件的电性能影响很大。有的时候为了通过很大的

电流，你准备了粗粗的导线、粗粗的接线柱，结果还是在接触点上产生高温，就是因为粗粗

的线和粗粗的接线柱没有充分接触上，只有那么几个点接触是不行的。

所以，凡是大电流下的接头，都有严格的规范，规定如何设计接触方式。有必要的时候

还会用焊锡把接线柱和线材整个浸润一下、焊在一起，保证接触面积足够大。这样，接触电

阻就会下降很多。

刚刚说的石墨烯做导电剂，其实就是起这个作用的。你要保证电池凸出的极耳和里面的

正负极充分接触，最好也能增大接触面积，一条线接触就比一个点好，一个面接触就比一条

线好，整个三维立体包裹就比一个面接触更好。所以，电池里的导电剂都是各种粉末，越细

越好，通常用的就是磨得很细的碳粉，你叫它石墨也行。

而石墨烯是比碳粉磨得还要细的碳粉，所以如果电池里加入了石墨烯，就能更保证接触

面积，电池的导电效果就会更好。

但是，电池可是成吨成吨生产的，而正经的石墨烯一克三千块钱，怎么可能用得起呢？

制造商添加导电剂，其实只是希望提高电池的性能，用磨得比专门用作导电的碳粉还细就可

以了。于是，买最便宜的那种所谓的“石墨烯”就行了，但那种石墨烯可能是二十层的。

所以，尽管他们声称自己的电池里加入了石墨烯，但这种场合下的石墨烯，在科学语境

里是完全不能称之为石墨烯的，因为它早都没有石墨烯那些超神奇的特性了。

石墨烯在电池里的应用，目前能见到的也就只有这种了。而且刚才说了，这里的石墨烯

严格来说其实是石墨。

3.未来会不会有石墨烯电池？

随着技术进展，今后石墨烯会不会真的能成为一种电池呢？

不会的。因为如果碳成了电池中承担电子输运的材料，石墨烯的结构肯定就不能再维持

了。而结构才是石墨烯的关键，一旦结构不再，石墨烯就消失了，它的神奇特性也就没有了。

作为辅助材料，石墨烯会不会对电池有更好的帮助呢？

当然会，不过也只是辅助性的。比如，有些车企声称使用了石墨烯电池之后，8分钟充

满电池的85%。算一下就知道，充电速度大约是6C。在这种情况下，充电时的电流肯定比较

大，需要很好的导电剂完善接触的部分，所以石墨烯会有帮助。

但是，支持更大倍率充电，靠的其实并不是石墨烯，而是高倍率电池特有的设计，比如

材料结晶度要很高、材料压实密度不能很大、电解液和隔膜的匹配等，支持60C充电速度

的电池早在石墨烯出现之前就已经出现了。

总之，石墨烯在高倍率电池里能有所帮助，可能就是缓冲电极在充放电过程中体积的膨

胀和收缩，外加作为更好的导电剂。其他的用途都只在实验室，而且前景远不如改进电池正

极材料更吸引人。

4.各种石墨烯忽悠产品

石墨烯是从2010年底火起来的，但今天，十年过去了，正经的石墨烯依然只是实验室

里研究的对象。我强调的“正经的石墨烯”，就是特指一到两层的那种，可以说几乎没有什

么应用。所以，如果你不是这个行业的业内人士，最近几年只要听到石墨烯这个、石墨烯那

个，当作二阶科淆产品就没错了。

目前，各种石墨烯产品都是根据真正的石墨烯的特性编造出来的。

比如，为什么石墨烯会出现在帽子、手套、围巾、保暖腰带上呢？因为真正的石墨烯导

热性超好，那我们就给它编到冬季的服饰里宣传。

为什么石墨烯会出现在裤衩、缆绳、防弹衣上呢？因为结实嘛。刚刚说过，一层连厚度

都看不出来的膜就能兜住一只猫。所以做成裤衩，耐磨；做成缆绳，不断。但裤衩是宏观物

体，而超过五层原子厚度的石墨烯就跟石墨没有区别了，要想让石墨烯裤衩足够结实，就必

须是单层的，那可是透明的。你是打算穿透明裤衩吗？

为什么石墨烯会出现在电池上呢？因为电子迁移率高、电阻小。注意，这些全都是在单

层石墨烯膜上测到的，如果不是膜状结构，电子迁移率也不高，电阻也不小。但对电池来说，

这些是最好的特性，怎么能不借势吹一波呢？

电池的发展代表了科技基本盘的发展，因为它的背后是材料学、物理学的进展。时间拉

长，电池的性能平均每年能提升10%就非常不错了。

最近八年，之所以电池技术高速发展，是因为之前新能源汽车还没有成为主流产品，很

多积累的材料学理论可以作为近期集中爆发的理论基础。另外就是，除了电芯这个核心部件

之外，电池里一直没有做优化的外部零件还有很多，比如电池的封装模式从钣金结构变成复

合材料，就能减重上百公斤；改变极耳和电池外壳的尺寸，就能在能量密度上提升20%-50%。

而当基础理论的红利爆发完毕、电芯外可改进的空间优化完毕，市场进入充分竞争的时

候，电池的能量密度能每十年翻一倍就很不错了。但即便是突破，大概率也不会和石墨烯有

什么关系。