石墨烯能让电动汽车充电8分钟续航1000公里？

一则广汽全新动力电池能让电动汽车“8分钟充满80%电量、续航1000公里”的消息，将自家电池技术推到风口浪尖的同时，也再次将大众既熟悉又陌生的石墨烯推到台前。

作为被业界称之为“新材料之王”的石墨烯，从首次提取成功到目前开始步入商业化应用也不到20年，真正引起市场关注也仅10年时间。

石墨烯材料性能上的各种优势，是让外界对其不断关注的根本原因，但基于目前还未取得关键突破的制备工艺限制，其生产成本一直居高不下，行业应用也受到局限。即便是此次事件中的新能源汽车领域，其也并不是颠覆电池材料，只是作为导电剂增加导电性能。

但不可否认的是，新材料的性能优势还是吸引了不少企业入局，目前处于市场导入期的石墨烯，未来有望得到更快的发展。

新材料之王——石墨烯

过去几年，我们似乎经常会听到关于石墨烯的各种新闻，但似乎又对它并不是那么熟悉。

介绍石墨烯之前，我们需要先了解一下石墨。石墨离我们更近，平时用到的铅笔，内部的铅笔芯就是石墨。

而从化学形式上看，石墨是“碳”（元素周期表中6号元素，化学符号C）的一种同素异形体。

同素异形体指的是由单一化学元素组成、因原子排列方式不同而具有不同性质的单质。像我们常说的氧气（O2）和臭氧（O3）就是氧原子所形成的两种同素异形体，氧气是我们呼吸所必须的，但臭氧却是对人体有害的。

我们再回来说石墨，石墨是碳原子所形成的一种同素异形体，自然界中存在许多碳原子的同素异形体，如金刚石（钻石的原身）、C60、碳纳米管等。

碳原子所形成的不同分子结构造成了同素异形体不同的物理和化学性能，如石墨平面层状的结构使其非常柔软，金刚石的立方晶体结构使其坚硬无比。

金刚石、石墨、C60分子结构

而石墨烯又是什么呢？它实际上就是单层石墨，专业术语为“以碳原子为核心组成的二维碳纳米材料”。目前，石墨烯实际上是单层石墨烯、双层石墨烯以及多层石墨烯（不超过10层）的统称。

石墨烯结构示意图

说起来似乎不难理解，但制备起来却难度颇大。单层石墨烯的厚度仅为0.355nm（纳米），1mm（毫米）厚的石墨就包含了300万层的石墨烯。

这也使得其难以从石墨上提取出来，事实上，直到2004年， 英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫才首次成功提取到单层的石墨烯。而他们采用的方式却异常简单——用胶带不断地粘附在石墨上，再撕下来，从胶带上提取石墨烯。

在经过上万次的实验后，他们真的从胶带上提取到了单层石墨烯。此前，科学界一直认为无法获取到这种二维单层结构。

尽管只有纳米级的厚度，但石墨烯的各种物理和化学性能都优于当前的许多材料，包括机械强度、柔性、导电性、导热性等。

石墨烯性能优势

石墨烯超高的杨氏模量（描述固体材料抵抗形变能力的物理量）、固有拉伸强度、断裂强度使其比金刚石还要坚硬，是目前最优质的钢材强度的200倍；超高的导热系数也让其成为导热性能最好的碳材料。

各种优异的性能使得石墨烯被称为“黑金”“21世纪的新材料之王”。在2010年两位发现者获得诺贝尔奖后，石墨烯的相关研究更是越来越火热。

不准确的“石墨烯电池”

简单了解了石墨烯之后，我们再看看这次的主角——广汽“8分钟充电80%，续航1000公里”的电池。

通常意义上，锂电池的命名主要通过以“在电池中起核心作用的材料”来确定。比如磷酸铁锂电池、三元锂电池均是因为正极材料磷酸铁锂和三元锂作为活性材料在动力电池中起到主要作用。

而此次让石墨烯再次进入到大众视野的“广汽石墨烯电池”，事实并不是普遍认为的石墨烯作为正负极核心活性材料，而是作为导电剂提升锂电池的充电速度。

这也是前面提到的石墨烯优良导电性能的应用。当然，此前广汽也没有称自己为“石墨烯电池”。根据此前广汽的描述，其是将石墨烯加到锂电池的正极材料中，使电池拥有6C快充能力，8分钟就能充电80%。而目前，常规锂电池的充电倍率只有1.3C。

“C”是充电倍率的单位，代表了充电速度。举个例子来说，容量为30KW/h的电池，以30KW的功率充电，则此时充电倍率为1C，充满电需要1小时，6C则只需要10分钟。

充电倍率反映到充电桩和充电枪上对应的就是设备功率。30KW也是目前充电桩普遍的充电功率，稍高的充电功率在100KW左右，特斯拉最新的超充桩功率为250KW，而根据广汽的信息，其充电设备功率达到600KW，超过特斯拉充电设备的一倍以上。

特斯拉超级充电桩

特斯拉的超级充电桩一般充电15分钟能跑200公里，根据其500公里左右的续航，估算15分钟大概能充40%的电量。这样看来，广汽所说的“超级快充”确实很快。当然，在短期内实现应用并规模铺设可能是另外一回事。

充电快之外，广汽称其“超级快充电池”也将实现1000公里的续航，不过后来也表示，充电快是由于加入了石墨烯材料，而高续航是由于采用了硅负极。

向以石墨为主要的负极材料中加入硅，是目前提升动力电池续航能力的一个热门方向。相比石墨，硅材料拥有更高的比容量（4200mAh／g），是石墨类负极材料的10倍多。将纳米硅引入锂电池的负极材料中，部分替代石墨，理论上可以极大提升锂电池的能量密度。

此前没有将硅直接用于负极材料，主要是因为硅在充放电过程中会出现膨胀，使得电池变形而无法正常工作。目前，负极材料中90%以上使用的还是石墨，包括天然石墨和人工石墨。

2019年动力电池负极材料占比

不过，已有不少企业开始尝试在石墨负极材料的基础上掺杂部分的硅材料，广汽的硅负极大概率也是掺杂而非全部采用硅负极。除了广汽，1月13日，上汽、阿里成立的智己汽车也宣布旗下车型未来续航将达到1000公里，电池方面就利用了宁德时代的“掺硅补锂”技术，即同样是在负极材料中掺入硅材料。

现有电动车的电池系统能量密度普遍为160wh/kg，而广汽基于硅负极材料技术的锂电池，将能实现280wh/kg。参照160wh/kg能量密度所对应的600公里NEDC续航，广汽锂电池似乎的确可以实现1000公里NEDC续航。

在广汽1月15日宣布自家石墨烯快充电池及搭载车型将在今年量产下线后，1月16日中国电动车百人会论坛上，中国科学院院士欧阳明高表示，如果现在有人告诉你，他的电动汽车可以几分钟充满80%的电，还能跑1000公里，价格还便宜，那么这个人一定是骗子。

中国科学院院士欧阳明高

这也是行业内此次热烈讨论的关键点。随后，同样在中国电动车百人会论坛上，广汽集团董事长曾庆洪表示，广汽并没有说过推出同时兼顾充电快、续航里程高还便宜的电池，与常规动力电池相比，其石墨烯快充电池整体电芯成本高出5%~8%。

而且，曾庆洪也表示，8分钟充80%理论上是可以实现的，1000公里续航的车今年也肯定会推出。

面对不少人的质疑，尽管广汽表现的还是很硬气，但包括导电剂在内的石墨烯商业化应用确实阻碍重重。

石墨烯的商业化瓶颈及未来

尽管石墨烯各种良好的性能有代替其他材料的潜力，但复杂的制备工艺和高昂的制备成本使得其目前并不能大规模量产。

目前，石墨烯制备方法主要可以分为“自上而下”和“自下而上”两类。

“自上而下” 法是以石墨为原料，通过剥离的方法来制备石墨烯层。如:机械剥离法、氧化还原法、液相剥离法等。

以机械剥离法为例，这也是最早剥离石墨烯的方法。通过多次用胶带粘附石墨，然后将带有石墨薄片的胶带粘贴到硅片等目标基体上，最后用丙酮等溶剂去除胶带，从而在硅片等基体上得到单层和少层的石墨烯。

机械法制备石墨烯

“自下而上”法则是通过碳原子的重新排列来合成石墨烯，如化学气相沉积法、外延生长法、有机合成法等。

其中化学气相沉积法是目前较为主流的方法，其是利用甲烷等含碳化合物作为碳源，通过其在基体表面的高温分解生长石墨烯。

化学气相沉积法制备石墨烯

但各种制备方法都有自己的优缺点。机械法制备石墨烯成本较低，但制备出的石墨烯含量有限，质量较低，难以规模生产。化学法可以制取含量较高的石墨烯，但成本比机械法制备高出很多。

制备技术上的阻碍使得石墨烯的商业化方向目前也较为局限。尽管其良好的各种性能能够用于多个领域，但基于成本和技术阻碍，目前石墨烯主要的应用方向包括以石墨烯粉末或浆料为主的导电剂、以石墨烯薄膜为主的导热膜和导电油墨等领域。

而拿作为导电剂的石墨烯粉末和浆料来说，目前石墨烯导电剂价格在50-80美元/kg，尽管相比此前200美元/kg已经下降不少，但相比传统炭黑导电剂10美元/kg左右的价格依然没有优势。

目前虽然有不少企业从事石墨烯材料的研发和制造，但多数由于没有更好的应用领域，导致无法获得有效的商业收益。

在近期石墨烯概念股里持续上涨的华丽家族，旗下尽管有多家石墨烯子公司，但其2019年的财报显示，23.46亿元的营收中，地产业务营收就达到了23亿元，石墨烯营收仅在千万级别。

同样在石墨烯概念中股价上涨的宝泰隆，2020年中报显示，11亿元的营收，净利仅1000万元，还多来自于主要的煤炭业务。

不过，尽管如此，石墨烯性能上的优势所带来的前景还是让诸多企业产生了兴趣。

华为2018年底发布的Mate 20X就已经用到了石墨烯导热薄膜做散热装置，其也在2020年2月通过旗下哈勃投资，入股了常州富烯科技，后者是一家生产石墨烯导热薄膜的企业。同时，中国宝安旗下的万鑫石墨谷科技也在不久前将自家的石墨烯导电剂样品交给华为做测试。

华为Mate 20X中将石墨烯导热膜薄用于手机散热

小米在2020年发布的小米10 ProPlus也搭载了天奈科技的石墨烯电池，后者主要研发和生产石墨烯导电材料。2020年10月，小米还投资了研发石墨烯导热膜的墨睿科技。

墨睿科技主要采用化学气相沉积法制造石墨烯，制备成本较高，但薄而透明，墨睿科技正在考虑将其应用在柔性电子器件开发方面，比如可以卷曲的屏幕上。

总的来看，广汽的石墨烯电池确有争议，在多数人并不清楚石墨烯在动力电池中起到的作用，以及量产车型并没有下线的情况下，广汽的宣传多少有些炒概念的嫌疑。

而作为拥有“新材料之王”称号的石墨烯，目前确实正在进入市场导入期，包括制备技术上的屏障和导电剂、导热膜等商业应用瓶颈都在不断得到解决。

新材料的研发也是当下尤为热门，但也需要更多基础科学、需要长期研发的领域，其对未来各个行业都有可能产生巨大的革新，企业需要少炒些概念，多做些实事。