第八，石墨烯用在鋰電池中導電添加劑及隔膜有何實質(zhì)幫助？

答：

1）導電添加劑：如果將石墨烯和炭黑混合后做為導電添加劑加入鋰電池，可以有效降低電池內(nèi)阻，提升電池倍率充放電性能和循環(huán)壽命，而且電池的彎折對充放電性能沒有影響。

2）隔膜：大部分商業(yè)化的鋰電池隔膜都是利用PE，PP，其他聚烯烴及它們的混合物或者共聚物，通過干法或濕法工藝制備得到。在鋰電池中，隔膜吸收電解液后，可隔離正、負極，以防止短路，但同時還要允許鋰離子的傳導。而在過度充電或者溫度升高時，隔膜還要有高溫自閉性能，以阻隔電流傳導防止爆炸。不僅如此，鋰電池隔膜還要有強度高、防火、耐化學試劑、耐酸堿腐蝕性、生物兼容性好、無毒等特點。我們正進行以氧化石墨烯通過靜電紡織方式作成隔膜，在實際應(yīng)用中，用作隔膜的高分子電阻率在10E12~10E14Ωcm量級值得一試。

第九，當2017年石墨烯再降到每公斤80美元時，就可以讓電池市場快速導入應(yīng)用的說法正確嗎？

答：錯的很離譜。提出這點觀點的業(yè)者是還停留在量產(chǎn)能力就等于應(yīng)用技術(shù)成熟的迷思，我們的制備成本早就低于每公斤80美元，重點是符合應(yīng)用技術(shù)的客制化石墨烯，這類公司只能生產(chǎn)一二類石墨烯怎幺做能源產(chǎn)業(yè)呀，難怪從2009年就投入鋰電池開發(fā)一直沒有甚幺成效。

第十，華為手機產(chǎn)品線副總裁李昌竹，在2015年移動智能終端峰會上透露，可能在2016年下半年使用石墨烯電池技術(shù)可行嗎？

答：很難。如果說電池技術(shù)要發(fā)表，至少現(xiàn)在已經(jīng)有樣品做測試了。進一步觀察一個手機廠是否會有創(chuàng)新性電池技術(shù)，就看他有沒有投資電池廠，還是買現(xiàn)成的電池技術(shù)。我接觸過的大廠普遍有個閉門造車的心態(tài)，就是買石墨烯回來自己試，但石墨烯的學問那幺深奧，豈是一間渠道公司能夠掌握的。

這篇文章我們就先來談?wù)劇颁囯x子電池”，其它幾類能源怎么應(yīng)用石墨烯，只要響應(yīng)好我就繼續(xù)再寫下去。

在沒進入主題針對石墨烯應(yīng)用于各類能源產(chǎn)品前，我們先回顧中國在石墨烯鋰電池的“舊聞”～2015年上市的一款名為開拓者α的手機，就采用由中國科學院重慶綠色智慧技術(shù)研究院和中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所開發(fā)的石墨烯觸摸屏、電池和導熱膜等新材料，手機觸控屏幕不偏色不泛黃，色彩真實、純凈，通透性也比傳統(tǒng)屏幕好，手機充電速率提高了40%，電池壽命延長了50%，電池的能量密度也增加10%。從這可以看出，采用石墨烯材料的電極雖然大幅提升了電池壽命和電池充電速度，但因石墨烯材料本身具有的高比表面積等性質(zhì)，與現(xiàn)在的鋰離子電池工業(yè)的技術(shù)體系無法兼容，能量密度并沒有實現(xiàn)理論上的翻倍，僅僅提升了10%。

的確，目前聲稱石墨烯電池╱電容可以容量提高30%以上的信息可信度都極低，因為一無反應(yīng)機理，二無具體數(shù)據(jù)，叁無產(chǎn)品實測分析結(jié)果。但我們只看到能量密度無法翻倍的現(xiàn)象，就斷言是比表面積等性質(zhì)與現(xiàn)有技術(shù)體系「無法兼容」也未免太過武斷。真正追究起來還是回到我前面一篇文章提到的，氧化還塬法的石墨烯材料只有二叁種，但我們已經(jīng)有超過200種以上組合包括：孔隙型粉末及薄片型粉末，會用甚幺方式來改進鋰電池呢？切記，鋰離子電池是「系統(tǒng)」解決方案，不能從單一部件拆開來思考。

最近半年有專家提到幾個原因使石墨烯應(yīng)用在鋰離子電池應(yīng)用變得困難，包括：

a、成本問題。傳統(tǒng)導電炭黑和石墨都是論噸賣的（一噸幾萬元），論克賣的石墨烯哪天能降到這個價？此時使用的材料就是石墨微片（可能有幾十層），根本不是單層或數(shù)層的石墨烯。

答：石墨烯成本目前的確已經(jīng)可以做到一噸十幾萬元，而且層數(shù)在六層以內(nèi)。我們試過在達成同樣的導電率下叁者滲濾閾值分別為，石墨烯：碳納米管：碳黑約等于1：2：4，這說明石墨烯的性價比已經(jīng)超越導電碳黑。其實能否取代導電碳黑不是成本問題，而是石墨烯要能高于現(xiàn)有規(guī)格才有機會。我在上篇文章已經(jīng)談到因為需要形成導電網(wǎng)絡(luò)，所以多層石墨烯比單層石墨烯更有用，我們發(fā)現(xiàn)六至十層的效果最佳。

b、工藝特性不兼容。就是石墨烯比表面積過大，會對現(xiàn)有鋰離子電池的分散均漿等工序帶來一大堆工藝問題。

答：不同工藝下石墨烯會擁有不同的比表面積，例如我們用高溫工藝只得到20m2╱g，但低溫工藝卻可以得到900m2╱g，千萬不要被理論比表面積2，630m2╱g給混淆。有關(guān)Oak Ridge National Laboratory與Vorbeck研究成果發(fā)現(xiàn)石墨烯對于漿料的工藝的性能有很消極的影響，并不表示別家的工藝下的石墨烯也會重現(xiàn)這種現(xiàn)象。其實問題還是在「界面」罷了，這點專家也不能否認，但大家可能不了解這個界面不是石墨烯造成的，卻可以由石墨烯高分子復材的制備工藝來解決的。

c、如果石墨烯做負極理論上最多是石墨負極兩倍的容量（720mAh/g），為什么不用硅？

答：這點到目前是對的。但我們認為鋰離子電池優(yōu)先要改善的重點反而不是負極材料，是正極材料。我們希望能各自改善正極、負極、隔膜及導電劑，再以系統(tǒng)的角度去取舍最后的規(guī)格，或許到最后還是會選擇硅也說不定，但絕對是朝硅╱石墨烯復材角度去進行，沒辦法，誰叫我只會做、也只能做石墨烯。

d、石墨烯是可以做導電劑促進快充放，理論上可以提高倍率性能，且石墨烯如果把它展開與電極活性物質(zhì)復合，會堵塞鋰離子擴散的通道。

答：我說過石墨烯不會單獨存在，必須以復合材料的型態(tài)出現(xiàn)，即使是正極、負極及隔膜也是這樣。最近，思考鋰離子吸附脫附塬理，甚至想用3D結(jié)構(gòu)石墨烯，包括氣凝膠或泡沫狀也是這個道理，擴散通道的解決方案不會很難的。

接著，我們來討論怎幺應(yīng)用各類石墨烯來提高鋰離子電池的能量密度。首先，要說明的是，我們還在找后端電池模塊廠，這項商品化工作沒有模塊廠或系統(tǒng)廠的合作開發(fā)也是枉然。其次，我們用不同石墨烯在實驗室的確有些改善、有些還在思考替代方案，下面的思路不僅是給我們自己作為引導，也是給想從事石墨烯應(yīng)用在電源領(lǐng)域的同好作為參考。

我們都知道要提升鋰離子電池的能量密度，有以下方法：

1.提高正極活性物質(zhì)的比例：鋰離子做為能量載體，鋰離子才能穿越隔離膜到負極參與反應(yīng)，可是鋰離子在正極的比例小于1%，其余都是鋰氧化物，因此必須提高正極活性物質(zhì)的比例。

2.提高負極活性物質(zhì)的比例：為了因應(yīng)正極鋰離子濃度提高的情況，以避免不可逆的化學反應(yīng)反造成能量密度衰減。

3.提高正極材料的反應(yīng)活性：增加正極鋰離子參與負極化學反應(yīng)的比例，然而正極活性物質(zhì)的比例有上限，因此研究新的正極材料是提高材料反應(yīng)活性的方法。

4.提高負極材料的反應(yīng)活性：這不是主要的解決方法，但可解少負極材料的質(zhì)量，負極多為石墨，可將其改為新的負極材料或納米碳管等以提升活反應(yīng)效率。

5.其他部分的減重以獲提升效率。

至于，充放電速率的提升方法為：

1.提高正負極離子的擴散能力：正負極活性材料都盡量薄，且在活性物質(zhì)的內(nèi)部具有足夠且均勻的孔隙，以利離子通過。

2.提高電解質(zhì)離子導電率：以加快鋰離子在正負極之間往來的速度。

3.降低電池內(nèi)阻。

既然如此，我們從系統(tǒng)的角度決定改善順序為：正極→負極→隔膜→導電劑。

作為正極材料要求大容量及優(yōu)異的循環(huán)特性，為使電池能夠急遽充放電，可采用提高活性物質(zhì)的電子傳導性、離子傳導性及縮短傳導距離的方法來進行。Zhou（2011）利用石墨烯添加在LiFePO4/C復合材料，亦即將磷酸鋰鐵正極材料放入氧化石墨烯溶液，再搭配噴沫造粒合成出微米級的二次粒子，從微觀角度觀察石墨烯均勻披覆在磷酸鋰鐵材料的表面，從電性的比較結(jié)果顯示在循環(huán)壽命與快充能力（如圖2所示），石墨烯的添加能顯著提升磷酸鋰鐵正極材料的穩(wěn)定性以及大電流充放電的表現(xiàn)。

在負極材料方面，Chou（2010）結(jié)合高電容量的納米硅負極（40nm）與具柔軟特性的石墨烯以穆爾比1：1的比例進行混合，其極板之表面形貌（如圖3所示），納米硅與石墨烯均勻地混合在一起，在循環(huán)壽命的表現(xiàn)，硅╱石墨烯復合材料之循環(huán)壽命與純納米硅相比可顯著地提升，經(jīng)過30個cycles仍保有1300mAh/g的電容量表現(xiàn)，在交流阻抗分析結(jié)果亦顯示相較于納米硅，硅╱石墨烯復合材料的阻抗可降低到40Ω，預期亦可提升此材料的快充特性。

在鋰電池充電過程中，活性鋰會在負極金屬鋰箔表面發(fā)生不均勻沉積，多次循環(huán)之后就會形成鋰枝晶。枝晶的生長方向是不斷從（電解液/電極）界面向正極延展。鋰是沉積在隔膜和負極的接觸部位，生長的方向是沿著從負極→隔膜→正極的走向，因此反應(yīng)發(fā)生的地點是在負極與電解液的“界面”上。以氧化石墨烯來改善隔膜的界面粗糙度，也是解決枝晶的對策之一。

正極活性材料多為過渡金屬氧化物或者過渡金屬磷酸鹽，它們是半導體或者絕緣體，導電性較差，必須要加入導電劑來改善導電性；負極石墨材料的導電性稍好，但是在多次充放電中，石墨材料的膨脹收縮，使石墨顆粒間的接觸減少，間隙增大，甚至有些脫離集電極，成為死的活性材料，不再參與電極反應(yīng)，所以也需要加入導電劑保持循環(huán)過程中的負極材料導電性的穩(wěn)定。以導電劑作用于LiFePO4╱C材料的顆粒之間，其導電效果的好壞有很大程度決于顆粒的大小和與活性物質(zhì)的接觸方式。這點在選擇石墨烯上只需考慮粒徑大小即可。

這里各位可以看到我在四類部件上使用四種工藝，每種工藝參考相關(guān)文獻都至少有一種石墨烯材料做客制化，這就是我一再鼓吹從應(yīng)用技術(shù)反推石墨烯材料組合的概念，這也是使用單一工藝像氧化還塬法無法進展的主要塬因。

我常說“坐而言、不如起而行”，以下是我對石墨烯應(yīng)用在能源的看法：

第一，石墨烯作為重要的新材料，在智能手機、新型顯示、鋰離子電池、太陽能光伏等電子信息行業(yè)多個重要領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，當前石墨烯材料仍處于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用初期，在上述領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用仍需開展大量工作。

第二，石墨烯材料在新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)與下游需求緊密結(jié)合，注重材料研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計、制備工藝等環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌謀劃，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)新模式，打造需求牽引、同步研發(fā)、緊密耦合的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，推動石墨烯材料在新一代能源技術(shù)領(lǐng)域中盡早應(yīng)用。