电池研究院：石墨烯电池是骗局吗？_生活广记

黄恒乐主编技术学堂2021-07-02 00:10
为何突然想写石墨烯？
本来不想赶石墨烯这趟浑水，结果最近笔者在一家耳机商家那里看到石墨烯振膜。
好家伙，比索尼生物振膜还嚣张的黑科技？！
这枚要价400多块的智商税，初看觉得商家为了捞钱还是做了点功课的，起码这次说对了石墨烯的元素组成，但你说石墨烯强度是钢的100倍所以用石墨烯做振膜这也太扯了，纸质振膜多了去了，谁家比硬度的呀？
再说了，什么?信号经过多重衰减才能保证振膜不被震破?，难道?功率放大器?是用来衰减模拟信号的？
嗐，还把5?m写出来了，现在STAX静电振膜都做到1?m工艺了，你的5?m是上两个时代的玩意了。
再到淘宝搜一下?石墨烯?这个词，多数在卖石墨烯内衣裤、石墨烯地暖、石墨烯充电宝，还有一些在卖量子点。
疫情当前，现在还有人在炒石墨烯口罩，据称?能自清洁? ，老牛了，就差智能基因测序并自动研发出抵抗新冠病毒的药剂了。
如今我看到石墨烯电池的眼神，就像看待量子波动阅读一样
当然，你也可以在淘宝上搜一搜?量子?，比如这个?量子能力舱?就老厉害了，8000块一个都有2个交易记录，看来是芳村精神病院收费太贵有人弃疗了。
再看一下介绍，好家伙我直接就是一句好家伙，东西放在这量子舱里面，会提升附加值？！难不成100 元大钞的面值大概会变成123元，烤腰子就会变得不骚，装着MP3文件的U盘会迸发出WAV线性录音的无损音质？
这些养生玩意，包括且不限于石墨烯、量子、纳米、远红外、磁疗、负离子等字眼的玩意，跟速马力驴总的燃油催化器有得一比，一看就是我国九年义务教育没落实到位的后遗症。
这些商品的可信度跟磁爆步兵杨永信能治疗网瘾的可信度差不多。
如果驴总的催化器能减排80%，大众集团花500万买下这专利，可以省掉柴油门事件亏掉的一百多亿欧元，现在升级国六也不需要加那个恶心死人的GPF了。
最近看到太多企业在炒石墨烯概念，实在待不住了，笔者决定写这么一写。
有任何说得不对的，欢迎下重手抨击。
石墨烯本是正经东西
石墨烯，英文名叫Graphene ，这是Graphite（石墨）的前半部分加上一个无机化学中用来表示单原子厚度二维结构的?-ene?后缀，一个缝合怪
石墨烯听起来有点科幻（方便了商家用来渲染低质高价产品），实际上化学式就是C而已，结构也非常简单，便是只有一层/少数几层碳原子厚度的二维材料，碳原子在这里以六角型蜂巢晶格形成平面薄膜。
正经的电池已经有两个多世纪历史，石墨烯被发现得却比较晚，一直到2004年才被英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆（Sir Andre Konstantin Geim）和康斯坦丁?诺沃肖洛夫（Sir Konstantin Sergeevich "Kostya" Novoselov）从石墨当中分离出来。师徒两人在2010年共同获得了诺贝尔物理学奖。
查下图左边的诺沃肖洛夫之资料时（正经英国人谁叫?洛夫??。??笔者才发现这两位英国顶尖学者居然都是拥有英国国籍的俄罗斯人导师海姆出生在索契，学生诺沃肖洛夫出生在下塔吉尔。
说回石墨烯本身。这玩意是目前人类能找到的最薄的纳米材料，因为太薄了所以只能吸收2.3%的光线，看起来就像透明的一样。因此文章开头那张耳机黑色振膜的图也真是扯淡，麻烦下次行骗之前学点基础物理常识先好不好
借一张Soomal网的图，这是一枚STAX SR-407静电耳机的发声单元，，振膜厚度只有1.35?m，单反根本拍不出来，目视是透明的。
【电池研究院：石墨烯电池是骗局吗？】
对于石墨烯的可视化表述，我想了好一阵子，觉得足球龙门的球网最能表达这种单层透明蜂窝状结构了：
石墨烯有一样很有趣的地方是，它的电阻率只约10 -6 cm！那还要什么铜线和银线啊，石墨烯导线若能量产，可以彻底清掉现在Hi-End音响界的所有玄学导线，成为新的电导体霸主。
石墨烯跟电磁有着莫大的联系，2004年海姆和诺沃肖洛夫师徒就是在实验室室温下观察到了石墨烯的量子霍尔效应，发现到导体内的电荷载子受到洛伦兹力偏向了一边（左手定则，懂？），并产生霍尔电压。
既然石墨烯电导率这么强，电化学家们当然也想到了用它来制备电池配方，目前正在热炒的?石墨烯电池?也是这么来的。
那么制备石墨烯难吗？
Yes and No
下图右边的就是各位表感情忠心用到的20世纪最大营销骗局钻石。如今，人工制备钻石已经不弱于天然钻石了，但制备成本依然很高，多用于工业用途。
左边的石墨烯也是碳，只不过结构并不同，石墨烯的C都是二维排布的。
海姆和诺沃肖洛夫师徒就想到了一个办法，拿我们办公用的透明胶带去黏住石墨薄片，撕开的时候就粘走了好多层石墨烯结构。继续拿新的胶带粘原来那张胶带，不断分离层数，最终你将得到单层的石墨烯并捧走2010诺贝尔物理学奖的1000万瑞典克朗
不是跟你开玩笑，下图这卷胶带真的是海姆和诺沃肖洛夫师徒捐给诺贝尔博物馆的真品。
考虑到现在品质好一点的石墨烯成品，价格随便都能到10000元/克以上，我们是不是可以一卷胶带致富了呢？
别想太多了。一来，用2B铅笔画一道，那一笔画就有100万层石墨，你算算要剥离多少次才能得到单层石墨烯；再者，你用撕胶带法最多只能拿到一些石墨烯残渣，折腾两个月得到只值几毛钱的玩意，真正理解了?2B?指的是什么。
石墨烯的应用范围依然未划定
石墨烯的发现虽然获得了诺贝尔物理学奖，目前前景是一片光明，但目前还没有非常确切的量产应用范围。我们都知道这是一种部分物理性能非常优越的材料，但暂时还没能用好它。
1锂离子电池
笔者不排斥石墨烯运用在锂离子电池产品这种说法，因为石墨烯材质的电子迁移率很高，可以大幅度提升充电速度，因此是有可能成功的。
鉴于本系列专门聊电池，此节留在后文展开说。
2超级电容器
当前基于石墨烯研发高充电性能的锂离子电池依然是空中楼阁，但基于石墨烯研发超级电容器没！毛！?。?
超级电容介于传统电容和二次电池之间，也是一种储能装置，之前已有超级电容公交车试运营案例出现，不过需要每站停靠快速充能一次。
虽然超级电容藏不住电，一下子就用光了，但只要它迅速得到补能即可继续工作，快充正好是石墨烯材料的长项。
石墨烯二维材料有非常适合造超级电容器的物理特性，包括超大的?比表面积?（高达2630m 2 /g）和超高的电导性能，加入电极材料之后可以实现超级变态的超级快充速度。
3制氢/储氢
笔者最近跟大家聊过氢燃料电池的事情，这种燃料电池是换能装置，而不是储能装置。高压储氢罐作为储氢装置，目前有很高的技术门槛和成本门槛。
石墨烯材料可以辅助储氢是听过好多年了，而如今中科大有一个研究小组在《Nature Communications》发了篇论文说石墨烯材料还能帮助打造光伏制氢装置。
具体的原理我就不解释了，因为自己也不是看得很懂
4透明导电薄膜
前文我们说过石墨烯很透光，电导性能也非常牛，这正好是透明导电薄膜最需要的物理性质！
透明导电薄膜可以用来造液晶屏幕，也可以用来造有机发光二极管、光伏电池等等，透光性能这么强变可以把太阳光谱用尽一点。
现在国内已有一些企业在筹备石墨烯透明导电薄膜的生产线，韩国三星也在整，但这玩意暂时还没落到实处，网上那些软文总说?有巨大成本优势?，随便听一下就算。
5集成电路
把石墨烯应用在集成电路上，是IBM在2010年的一项创举，但至今没有走出过实验室。
前文我们说过，石墨烯的发现跟电磁是有莫大关系的，因此用于制备集成电路也算得上符合常识。此前美国高斯就申请了制备?具有石墨烯屏蔽效应的3D集成电路?的专利，并宣称?石墨烯层作为3D集成电路相邻层级或者相邻层之间的电磁干扰屏蔽体，可减少在层级之间的串扰，同时向周围传递热量? 。
6导热材料
比表面积大、热导率高（5300W/mK），这些特性可以让石墨烯二维材料成为新的高性能导热材料。
但是，石墨烯导热膜是不是高性能版的石墨导热膜呢？目前还不好说，所以这个领域我们可以先打个问号。
7感光元件
新加坡南洋理工大学的一个项目组宣称研发出一种基于石墨烯的感光元件，感光能力比传统CMOS强1000倍，耗能是传统CMOS的10% 。
看完文章我很感动，并写下?开口就百倍千倍的石墨烯新闻，一律按谣言处理?这行字。
8海水淡化
用石墨烯薄片做滤网，过滤掉钠离子和铝离子。
道理我都懂，就是听起来有点扯淡。
9光能飞行器
这个项目是南开大学整出来的，说是可以用石墨烯造太阳帆，?约50平方米的石墨烯帆能让5千克的酬载物在20分钟加速到第一宇宙速度? 。
第一宇宙速度是多少来着？7.9千米/秒！
依然?一律按谣言处理?
石墨烯电池的电动两/三/四轮车能买吗？
不是能不能买的问题，是你现在根本买不到。因为石墨烯电池根本不应该被叫做石墨烯电池。
首先，笔者想斗胆下一个定义：石墨烯电池算不上骗局，但绝对没有石墨烯电池研发企业和车企宣传得那么逆天。
石墨烯作为一种添加剂加入到电极当中，可以提升电池充电速度，但这只是一种辅助元素，电化学命名法可不允许将其命名为?石墨烯电池? 。
清华能源互联网研究员刘冠伟表示：在移动终端中使用的钴酸锂电池中加入石墨烯元素，令其快充性能增强，那么我们可以将这款电池命名为?钴酸锂-石墨电池?，绝对不是?石墨烯电池? 。
笔者打个比方吧：我煲了一大锅海鲜粥，有梭子蟹、九节虾、花甲、瑶柱、蛏子王，煲好之后撒了一把盐，我就可以把它命名为?盐巴粥?了吗？这让努力锻炼了几年终于让自己变得好吃的虾蟹们怎么想？这把自私自利的盐巴对得起海鲜家族长年的奋斗吗？
石墨烯只能作为导电添加剂，是盐巴；不是电池的主体活性材料，不是虾蟹。
刘研究员还表示，即使是作为添加剂来加入，当前技术条件下也很难实现量产化，存在颇多质疑。
我们做新能源媒体的经常能见到那种宣称容量增大3倍、续航1000km往上、3分钟充满的石墨烯电池纯电动汽车新闻报道，有一个算一个，全部都是骗人的。石墨烯是快充走向的技术，怎么突然又能增高能量密度了？！
有些初创企业把石墨烯电池的能量密度标到600Wh/kg去了小老弟，吹牛也要打草稿的呀。
说3分钟能充满的新闻已经够多了，3分钟可是20C充电倍率?。?发热量是1C充电的400倍，你是想充电还是引爆车载动力电池呢？
这么能吹你怎么不去竞选冈比亚总统？（声称可以24小时占领中国、3天推平苏联的那位）送你一张冈比亚地图表达一下鄙视。
比如下图这种12V铅酸电池，就是每台车都有的那种电瓶而已，一上来就说自己用了三大核心材料：
1、复合稀土合金：这跟电池寿命有毛线关系呢？跟南孚聚能环比玄学？
2、稳定碳纤维：碳纤维凭什么可以提升循环寿命？加个?稳定?干嘛？碳纤维有这么活泼，跟水反应还是跟氧反应？
3、石墨烯：更强动力=输出功率更大，石墨烯不能增大功率的呀，充电跟放电是相反的反应，你说反了好不好。
综上，全都是胡诌。
电动两轮车巨头雅迪，最近也玩起了石墨烯营销，只不过有雅迪车主反?。???训降?雅迪石墨烯?信息，全都是软文通告，连标点符号都不带改的，交流社区找不到一个活人，全是营销号在吹牛。
使用体验嘛，就是跟普通的铅酸电池没有区别
基于以上论述，石墨烯二维材料的确有可能让电池实现超级快充，从充电层面解决续航焦虑问题；石墨烯没能力提升能量密度，那些跟你说它家石墨烯电池汽车?进入月充时代?的一切按骗子处理；当前若有车企跟你说他家的石墨烯电池老牛了，暂时别信，一来加入石墨烯添加剂的电池不应该叫?石墨烯电池?，二来这玩意前期必然很贵，做第一个吃螃蟹的往往拉胯。
让子弹先飞一会儿。
石墨烯产业的未来
2015年11月底，工信部、发改委、科技部联合印发《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》，《意见》认为石墨烯在光、电、热、力等方面具有优异性能，但生产技术成熟度不高、产业化应用路径长，《意见》还确认了2020年形成若干家具有核心竞争力的石墨烯企业之战略。
可见，国家是支持石墨烯产业的，但并不支持各种投机分子拿着?石墨烯?概念去套民脂民膏。
当前石墨烯制备价格过贵，我们必须增大产业规模，才能降低其单价。
目前石墨烯制备技术主要分为以下几种方式：
1、CVD化学气相沉积法：当前最主流的方式，尺寸可以做到将近20英寸，具备大规模生产的可能性，但生产出来的一半都是多晶的，而且工艺路线复杂、成本高、良品率低。
2、SiC表面外延生长法：加热单晶碳化硅脱除硅，在单晶面上分解出石墨烯片层，尺寸较大，但设备成本和原料成本太高了。
3、机械剥离法：撕胶带法的进化版本，成本非常低，成效非常差，基本只能得到一些小片的成品，其余全是残渣。
4、氧化减薄石墨片法：使用强氧化剂在石墨的层状结构中间进行插层氧化，成本不高，但成品质量很渣。
5、金属表面生长法：在钌的表面?种?出石墨烯，不过石墨烯转移就很麻烦了。
有一说一，石墨烯作为二维材料（下图为二维材料家族）大规模运用的开端是不错的，但在未能量产化的阶段热炒，那便是吃人的资本干的坏事了。
二维材料的未来必然是光明的，只不过材料学这种?天坑专业?，毕业之后不好找下家，找到了对口专业还得在郊区荒野中熬最黄金的年龄段，高校招生时候能否招到大神得看缘分。
嗐
（图/文/摄：黄恒乐）
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