石墨烯用作導(dǎo)電劑的原理是其二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu)所帶來的優(yōu)異的電子傳輸能力。從目前積累的測試數(shù)據(jù)來看，VGCF、CNT以及石墨烯在倍率性能方面都比Super P都有一定提高，但這三者之間在電化學(xué)性能提升程度上的差異很小，石墨烯并未顯示出明顯的優(yōu)勢。
那么，添加石墨烯有可能讓電極材料性能爆發(fā)嗎？答案是否定的。以iPhone手機(jī)電池為例，其電池容量的提升主要是由于LCO工作電壓提升的結(jié)果，將上限充電電壓從4.2V提升到目前i-Phone 6上的4.35V，使得LCO的容量從145 mAh/g逐步提高到160-170mAh/g (高壓LCO必須經(jīng)過體相摻雜和表面包覆等改性措施)，這些提高都跟石墨烯無關(guān)。
也就是說，如果你用了截止電壓4.35V容量170mAh/g的高壓鈷酸鋰，你加多少石墨烯都不可能把鈷酸鋰的容量提高到180mAh/g，更別說動不動就提高幾倍容量的所謂“石墨烯電池”了。添加石墨烯有可能提高電池循環(huán)壽命嗎？這也是不可能的。石墨烯的比表面積比CNT更大，添加在負(fù)極只能形成更多的SEI而消耗鋰離子，所以CNT和石墨烯一般只能添加在正極用來改善倍率和低溫性能。
但是，石墨烯表面豐富的官能團(tuán)就是石墨烯表面的小傷口，添加過多不僅會降低電池能量密度，而且會增加電解液吸液量，另外一方面還會增加與電解液的副反應(yīng)而影響循環(huán)性，甚至有可能帶來安全性問題。那么成本方面呢？目前石墨烯的生產(chǎn)成本極其昂貴，而市場上所謂的廉價“石墨烯”產(chǎn)品基本上都是氧化石墨烯。
即便是氧化石墨烯成本也高于CNT，而CNT的成本又比VGCF高。而且在分散性和加工性方面，VGCF比CNT和石墨烯更容易操作，這正是為什么昭和電工的VGCF正逐漸打入動力電池市場的主要原因。可見石墨烯在用作導(dǎo)電添加劑方面，目前跟CNT和VGCF在性價比方面并沒有優(yōu)勢可言。
當(dāng)前國內(nèi)石墨烯的火熱形勢，讓筆者聯(lián)想到了十幾年前的碳納米管(CNT)。如果對比石墨烯和CNT，我們就會發(fā)現(xiàn)這兩者有著驚人的相似之處，都具有很多幾乎完全一樣的“奇特的性能”，當(dāng)年CNT的這些“神奇的性能”現(xiàn)在是完全套用在了石墨烯身上。CNT是在上世紀(jì)末開始在國際上火熱起來的，2000-2005年之間達(dá)到高潮。CNT據(jù)說功能非常之多，在鋰電領(lǐng)域也有很多“獨特性能”。
但是二十多年過去了，至今也沒看到CNT的這些“奇特的性能”在什么領(lǐng)域有實實在在的規(guī)模化應(yīng)用。在鋰電方面，CNT也僅僅是用作正極導(dǎo)電劑這兩年在LFP動力電池里面開始了小規(guī)模的試用(性價比仍不及VGCF)，而LFP動力電池已經(jīng)注定不可能成為電動汽車主流技術(shù)路線。
相比于CNT，石墨烯在電化學(xué)性能方面與之非常相似并無任何特殊之處，反倒是生產(chǎn)成本更高，生產(chǎn)過程對環(huán)境污染更加嚴(yán)重，實際操作和加工性能更加困難。根據(jù)自己多年的鋰電研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗，筆者并不認(rèn)為石墨烯會在鋰離子電池領(lǐng)域有多少實際應(yīng)用價值，當(dāng)前所謂的“石墨烯電池”純屬炒作。對比CNT和石墨烯，筆者要說的是“歷史總是何其相似”！
石墨烯的真正應(yīng)用前景在哪？
未來石墨烯在鋰離子電池上的應(yīng)用前景微乎其微的。相比于鋰離子電池，筆者認(rèn)為石墨烯在超級電容器尤其是微型超級電容器方面的應(yīng)用前景似乎稍微靠譜一點，但是我們?nèi)匀灰獙σ恍W(xué)術(shù)界的炒作保持警惕。
其實，看了很多這些所謂的“學(xué)術(shù)突破”，你會發(fā)現(xiàn)很多教授在其paper里有意無意地混淆了一些基本概念。目前商品化的活性炭超級電容器能量密度一般在7-8 Wh/kg，這是指的是包含所有部件的整個超級電容器的器件能量密度。而教授們提到的突破一般是指材料的能量密度，所以實際中的石墨烯超電遠(yuǎn)沒有論文中提到的那么好。
相對而言，微型超級電容器的成本要求并沒有普通電容器那么嚴(yán)格，以石墨烯復(fù)合材料作為電化學(xué)活性材料，并選擇合適的離子液體電解液，有可能實現(xiàn)制備兼具傳統(tǒng)電容器和鋰離子電池雙重優(yōu)勢的儲能器件，在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)這樣的小眾領(lǐng)域可能(僅僅只是可能)會有一定的應(yīng)用價值。
延伸閱讀：石墨烯電池新聞有無真貨？
當(dāng)前關(guān)于石墨烯電池的新聞有很多，比如國內(nèi)首個石墨烯手機(jī)用的石墨烯電池。筆者首先找到的是2014年據(jù)Tesla創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Elon Musk表示，特斯拉準(zhǔn)備將Model S、即將面世的Model X跨界車以及平價電動車型Model 3的性能再度升級。
“我們汽車的續(xù)航里程將有可能突破500英里。實際上，我們的開發(fā)進(jìn)度非常快，但是汽車價格可能會隨之提升。不久的將來，特斯拉電動車的續(xù)駛里程有望再度提升”。他在接受英國汽車周刊《Auto Express》的采訪時說道。
Musk并沒有透露這個計劃的細(xì)節(jié)，但是根據(jù)眾多媒體的報道，用石墨烯制造的“超級電池”有可能是特斯拉實現(xiàn)該計劃的關(guān)鍵。筆者查找了幾個國外相關(guān)報道，無一例外地都說消息源自中國媒體報道。事實很明顯，Musk壓根沒有說過用石墨烯或者石墨烯電池，中國的媒體人杜撰了特斯拉使用“石墨烯電池”作為下一代電動汽車電池的新聞報道。
另外一個就是西班牙的石墨烯電池。西班牙人宣稱，一個鋰電池(以最先進(jìn)的為準(zhǔn))的比能量數(shù)值為180 Wh/kg，而一個石墨烯電池的比能量則超過600 Wh/kg。也就是說，它的儲電量是目前市場上最好的產(chǎn)品的三倍。這種電池的壽命也很長，它的使用壽命是傳統(tǒng)鎳氫電池的四倍，是鋰離子電池的兩倍。用它來提供電力的電動車最多能行駛1000千米。而將它充滿電只需要不到八分鐘的時間。
但是，目前沒有人真正見識過這個公司的產(chǎn)品，即使相關(guān)基本參數(shù)比如充放電曲線、中值電壓等也無法查找到。筆者根據(jù)自己多年的鋰電知識判斷，這樣的電池性能是不可能達(dá)到的，如果該電池仍然采用普通鋰離子電池的嵌入式反應(yīng)原理的話。另外，假如這是一種用了石墨烯的二次空氣電池，那么它顯然也不能被稱作“石墨烯電池”。至于這個西班牙石墨烯電池到底是真是假，即“仁者見仁，智者見智”了。
