石墨烯会是锂电材料突破口吗?目前锂离子电池遇到的问题有哪些？

自今年以来，市场对石墨烯材料追捧火热，不少厂商和科研机构对石墨烯作为新的电池材料的应用尝试越来越多。烯联纳米项目负责人何仕国曾表示，烯联纳米的电池正极材料是纯电动车电池的核心技术。那么，石墨烯会是锂电材料突破口吗?能为目前锂离子电池遇到的问题提供多一个解决选项吗?

石墨烯锂电池崭露头角

石墨烯具有独特的二维结构、优异的性能和各种潜在的应用价值，石墨烯基纳米材料是一种很有吸引力的锂离子电池电极材料，尤其针对高能量密度与高功率密度电池。而石墨烯电池，就是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新电池。

有趣的是，除了浙江烯联纳米科技有限公司投资建石墨烯基地外，玉龙股份近日也发布公告增资投产石墨烯。据悉，玉龙股份将对宁夏汉尧石墨烯储能材料科技有限公司增资人民币3亿元，主要用于加快宁夏汉尧锂离子电池石墨烯三元正极材料及导电浆料项目产线的建设投产，带动产能和释放推动新业务的发展。

锂电产业链相关厂商的对石墨烯锂离子电池的布局，或将加速石墨烯锂离子电池的的面世。

石墨烯是高能量密度电池重要选项

在国家政策主导锂电往高能量密度的发展背景下，石墨烯材料是很好的下一代电池材料备选。石墨烯在新一代素材中一直被认为是代表性材料。从石墨中剥出的石墨烯是薄薄的碳素原子膜，其特点是物理性、化学性的稳定性较高。该材料比铜的导电性高100倍;比硅的导电速度高140倍以上。这也是石墨烯球材电池比现有的充电电池的充电速度快五倍的理由。凭借优异的材料性能，石墨烯受到了研究机构与锂电企业的青睐。

今年初，从科技部网站获悉，韩国《中央日报》报道三星电子综合技术院的研究小组成功研发出新电池材料“石墨烯球”，比现有锂离子电池的充电容量高出45%，充电速度提高5倍以上。研究人员发现在高强度、高导电性的石墨烯材料中加入二氧化硅后，可以大量合成石墨烯，合成的石墨烯像爆米花一样呈现出三维立体形态，因此被称为“石墨烯球”，将这种石墨烯球材料用于锂离子电池的阳极保护膜和阴极材料后可以提升充电容量、缩短充电时间，而且高温稳定性也能得到保障。韩国计划五年内将“石墨烯球”锂电子电池实现商用化。

今年三月底，落户于银川经济技术开发区的石墨烯新能源产业化项目，计划投资85亿元，实施年产3万吨石墨烯改性三元材料及1万吨石墨烯导电浆料项目等5个项目，项目建成后，可在银川市形成石墨烯储能材料基本的产业链条，并形成年产值150亿元以上的规模。

而不久前，美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米图层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。

石墨烯电池尽管得到了不少厂商和投资者的偏爱，但是也存在反对声音。首先，成本和工艺的复杂性高，有学者认为，石墨烯电池可能只能存在于实验室之中，商业化的普及还是比较的困难。OakRidgeNaTIonalLaboratory与有名的石墨烯业内厂商Vorbeck曾披露石墨烯的研究成果，他们认为，石墨烯工作的可重复性常常都很差，所做技术与实用化目标脱节严重。这一现象已经广受科研界中的有识之士，以及工业界的诟病。

材料是现代文明的三大支柱之一，新材料的发现以及跨领域的应用对科技发展起到至关重要的作用。电池产业由传统锂电池再到之后的钴锂电池，一直到如今的电池高镍化。石墨烯对于动力电池而言，或许是下一代材料的突破口。而电池技术的发展，也在促进各种电子终端产品的迭代。

周恩来曾就读过的日本筑波大学所领导的合作项目发现了一种优化析氢催化剂的方法，可以在不显著牺牲催化活性的前提下提高其稳定性。研究小组发现用石墨烯包覆催化剂纳米颗粒，可以提高催化剂耐用性，该成果发表在ACS上。

研究人员称，“我们优化了石墨烯涂层纳米颗粒的数量和它们的催化活性之间的平衡，要做到这一点，我们必须精确地控制石墨烯层涂布纳米颗粒的数量，这是通过仔细调节石墨烯在纳米颗粒上的沉积时间来实现的。”

团队制备了一系列涂覆有不同数目石墨烯层的纳米粒子样品，并对其进行表征，然后确定了它们在析氢反应中的催化活性。涂覆有最佳数量的石墨烯层的催化剂纳米颗粒，其仅为三至五层，在析氢反应中显示出与昂贵的铂基催化剂类似的活性。重要的是，这些纳米颗粒也显示出高稳定性；石墨烯涂层防止金属纳米粒子溶解在酸性反应溶液中。

研究人员进行了理论计算来支持他们的实验结果。结果证实了石墨烯层数、化学稳定性和纳米粒子的催化活性之间的关系。也就是说，涂覆少于三个石墨烯层的纳米颗粒比三至五层涂覆的催化剂具有更高的催化活性，但这是以耐久性为代价的；前者比后者表现出较差的化学稳定性。

“我们的研究结果为在酸性条件下通过现场聚合物电解质膜电解在氢站进行大规模氢生产的稳定、廉价的催化剂铺平了道路。”该小组的研究结果有利于氢燃料清洁能源产业化。

石墨烯是目前最薄也最坚硬的纳米材料，集透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等多种优异性能于一身，是主导未来高科技竞争的超级材料，被称为“黑金”，可极大推动相关产业快速发展和升级换代，市场前景广阔，有望催生千亿元规模的产业。

由于硅材料本身限制，计算机、芯片或电子器件的开发速度再难遵守摩尔定律，性能提升速度减慢。石墨烯中电子运行几乎无阻碍，运行速度是硅的数倍，为打破这一瓶颈带来可能。加之智能化、大数据、云计算、可穿戴装备的兴起，对高速计算机、高效能源转换和储存系统、柔性电子的需求迫在眉睫，石墨烯可在这些领域发挥决定性的作用，这预示着全球科技发展将从过去的硅时代迈入以石墨烯等碳材料为代表的碳时代。

石墨烯问世之后，美国、日本、欧盟等发达国家纷纷从国家战略高度开始部署石墨烯研究和发展规划，投入数十亿美金支持石墨烯研究和商业化。三星电子、IBM、诺基亚、陶氏化学、通用、施乐公司、拜尔、巴斯夫等跨国集团，也都瞄准石墨烯市场，积极推进石墨烯产业化研究。

中国是石墨资源大国，也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。未来十年是石墨烯从实验室步入应用的关键时期。继《中国制造2025》、《关键材料升级换代工程实施方案》等国家战略性文件将石墨烯纳入重要的前沿性新材料之后，工业和信息化部、发展改革委和科技部又联合发布了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》，助推石墨烯产业化进程，引领石墨烯产业化发展方向。

石墨烯是开启未来的产业，是我国新材料产业的发展契机，其产业化过程，也是检验和提升我国综合科技实力的过程。在研究国内外石墨烯产业发展情况的基础上，提出石墨烯产业发展政策建议：保护知识产权促进公共平台成果落地、加强人才培养夯实综合科技基础、鼓励引入民间资本发展石墨烯产业，并就我国石墨烯产业发展设想四条主要路径。

路径一：重大工程牵引推动

通过政府政策引导，围绕我国经济社会发展和国家安全重大需求，整合创新、产业化等资源，抓住重点，实施多项重大工程，开发一批标志性、牵引推动作用强的重点产品和代表工艺，提升自主开发设计水平和系统集成能力。突破石墨烯晶体管、石墨烯电极、石墨烯芯片、石墨烯光电子器件、石墨烯高频器件、石墨烯激光器件等关键核心部件、关键技术及系统集成工艺，突破共性关键技术和工程化、产业化瓶颈，提高石墨烯创新、产业化能力和国际竞争力，带动材料业整体综合实力发展，抢占国际竞争制高点。

路径二：重点行业应用示范

坚持石墨烯发展全国一盘棋和分行业指导相结合，统筹规划，整合资源，合理布局，明确石墨烯发展大方向。鼓励全民创新，引导创新成果转化，扎实提高基础科学理论水平，促进各行业深度发展，总结积累产业化经验，加快推动石墨烯应用整体水平提高，开展重点行业的应用示范工作，在医学领域、化学领域、能源领域、纳米器领域、电子领域等各领域打造重点示范项目。

路径三：产学研用协同推进

产学研用多渠道协同推进石墨烯产业化进程，通过生产单位、学校、科研机构和用户等相互配合，集中各自优势资源，形成研究、开发、生产、应用一体化的高效系统，在运行过程中发挥综合优势，提高产业链从实验成果到实际应用的整体效率，降低转化成本。建立石墨烯上游生产企业，包括石墨矿企、石墨烯生产设备CVD等设备生产企业，下游应用企业，包括电子企业、电池企业、生物医药企业、特种航天企业等与高校、研究院所等科研机构的产业联盟、技术创新联盟等。提炼共性技术，加强石墨烯公共技术服务，降低石墨烯产业化进程中的时间、资金、技术、工艺、设备、人才等成本，为联盟单位提供一个高标准高质量的起点和合作渠道。

路径四：创新平台集聚发展

完善国家石墨烯创新体系建设，加强顶层设计，加快建立以创新中心为核心载体、以公共服务平台和应用产业数据中心为支撑的石墨烯创新网络，建立以市场为主导的创新和应用方向选择机制以及鼓励创新的风险分担、利益共享机制。建立石墨烯创新产业园区和基地，引进科技成果转化孵化器和技术产业化加速器。利用地方人才、资源、资金等优势发展产业集群，集聚新兴产业，发挥产业集聚效应，加速石墨烯创新和应用突破及产业化进程。建设一批促进石墨烯协同创新和产业化的公共服务平台，规范行业标准，开展技术研发、技术评价、技术交易、检验检测、质量认证、人才培训等专业化服务，提高科技成果转化效率和推广应用速度。