大家都听说石墨烯电池可以让电池电量更充足，充电速度更快，使用寿命更长。大家也知道，石墨烯是2010年以来一直在热炒的高科技新材料，具有很多优异的性能。那么石墨烯到底在电池中发挥什么样的作用呢？咱们来聊聊这个事情。

　　自从2010年石墨烯的研究者获得诺贝尔奖以来，石墨烯这个材料始终是新材料、高科技的代名词。这个殊荣严格来说并不为过，相对于石墨，石墨烯表现出了非常优异的物理、化学性能，给材料科学领域带来了一个闪光的新材料。它的导电性、导热性好，比表面积大，结构结实而且还有弹性，在航多行业都巨大的应用潜力。

　　在电池领域，石墨烯有很多功能，这些功能都让石墨烯成为电池生产的香饽饽。我们主要以锂离子电池为例来解释石墨烯在电池中的作用

　　虽然石墨也是由石墨烯形成的，但石墨里面的石墨烯是紧密堆叠在一起的，它们的距离太近了，中间很难塞进东西去。就像我们前面说过的，钠离子电池如果用石墨来做负极的话，电池容量非常低，因为钠离子很难进入石墨烯间隙。锂离子虽然可以进入石墨烯间隙，但容量也不算高，大概每6个碳原子只能容纳一个锂离子。这样的电极材料，容纳锂离子的能力低，制造的电池电量自然也很难提升。

　　石墨烯相对于石墨来说就有更大的优势，石墨烯就像一张纸，纸的两面都可以放锂离子，相对于石墨来说容量增加了一倍。所以，如果用石墨烯做负极材料的话，比用石墨做负极材料能储存更多的电量。储存更多电量就意味着用电器（手机、汽车）可以拥有更长的续航时间，能做更多的工作。

　　严格来说，用石墨烯制作电极材料的电池，才是真正意义上的石墨烯电池。但现实中这类电池并不多，毕竟石墨烯电极生产和使用还有很多困难，成本也会比较高。要知道，石墨烯一旦叠到一起，就变成石墨了，那它跟石墨的性质就没有太大的区别了。本来锂离子的存在，可以阻止石墨烯叠到一起，但放电的过程中锂离子会离开，石墨烯很容易叠到一起，充电的时候是无法重新把它们分开的。

　　石墨烯本身导电性能非常好，电阻小、电子传输速度快、导电性能受温度影响小。锂离子电池的正极材料往往都是一些导电性比较差的固体物质，锂离子进出这些物质要求它们的导电能力比较好，否则会严重影响电池的性能。传统的锂离子电池正极材料中也需要添加一些导电物质帮助正极材料导电。经常添加炭黑、导电石墨、Super Li、乙炔黑、科琴黑、碳纳米管等等。这些材料也能改善正极的导电性能。但是石墨烯却具有比他们更好的导电性能。

　　本身石墨烯是片状的结构，而且很柔软，把它们添加到正极材料中，它们可以跟正极材料颗粒更好地接触。别的导电材料跟正极材料接触往往是点对点接触或者线接触，而石墨烯可以跟正极材料进行面接触，接触更好，导电性能自然也更好。石墨烯本身传导电子的能力很强，添加石墨烯的正极材料中，石墨烯可以形成一个网络结构，能高效传导电子，不管是放电还是充电，都可以帮助正极材料有效工作。

　　不仅仅是正极材料，很多负极材料也需要石墨烯参与。当发现石墨负极的缺点以后，人们又研发出了很多其他类型的负极材料。比如金属氧化物负极材料、金属硫化物负极材料、硅负极材料等等。像特斯拉汽车的电池就是较早使用硅负极材料的。硅负极材料，相对于石墨来说具有更高的锂离子容量，也就是可以制造更高容量的电池。这类电池相对于石墨电池来说具有很大的优势，但也有一定的劣势。比如导电性能比较差，需要添加一定量的石墨烯来帮助导电。金属氧化物等负极材料，也受制于导电能力而需要石墨烯的帮助。

　　刚刚提到石墨烯添加到正极或负极材料中，可以充当导电剂。其实石墨烯相对于导电剂还有一个独特的优势，那就是支撑材料。不管是正极材料还是石墨以外的负极材料，在充放电的过程中都面临一个问题，那就是锂离子需要进出材料内部。锂离子进去的时候会撑大内部空间，让材料体积变大，出来的时候材料会收缩。反复充放电，会造成电极材料的结构被破坏，电池容量不断下降。

　　石墨烯是一种非常结实的材料，比钢铁还结实，比钻石还要结实。充填到电极材料中的石墨烯形成一个网格结构，这些网格除了可以导电以外，还可以起到良好的支撑作用，避免锂离子进出电极材料而带来的结构破坏。这样可以大大延长电极材料的寿命，从而延长电池的寿命，增加电池的充放电次数。

　　同时，石墨烯的强力支撑，还可以帮助电池能更好地适应快速充放电。现在电动汽车不太受欢迎，很重要的一个原因就是充电的速度太慢了，尤其是在行程中，需要充电的时候不仅需要排队还需要等待很长时间完成充电，如果能十几分钟完成充电，人们接受度就会大大提高。包括我们的手机，以前往往需要几个小时甚至十几个小时才能充满，现在的快充技术甚至可以十几分钟就充满电。但是，快速充电对于电极材料的考验是很大的，锂离子的快速进出，对于电极材料的结构破坏程度更大，会明显降低电池的使用寿命。用上石墨烯骨架的电极材料，抵抗快速充电的能力大大提高，不仅可以提高电池的寿命，也可以解决人们最关心的痛点。

　　此外，对于硅电极来说，在工作中很容易在表面覆盖一层绝缘的固体电解质膜，从而阻碍电池性能的发挥。石墨烯材料在把硅材料包裹起来的同时，还可以阻碍固体电解质膜的形成，减少因绝缘物质形成而造成的性能下降。

　　石墨烯的导热性能非常好，比钻石还要好，更比常见的金属金银铜铁的导热性能都好。现在很多手机、电子产品都开始使用石墨烯作为散热材料，利用的就是石墨烯的导热性。石墨烯添加到电池内部，除了前面的好处以外，还有利于电池内部热量的传导，避免电池内部过热而发生危险。石墨烯帮助散热的电池，在充放电的过程中不容易发生鼓包之类的危险事故。此外，石墨烯对于电池冬季电量偏低的现象也是有帮助的。因为石墨烯本身导热性很好，电池冬季使用的时候，可以把外部的热量更好地传导到电池内部，解决内部低温带来的负面影响。

　　首先，石墨烯的价格比较高，添加到电池内部自然就会抬高电池的生产成本。虽然以后石墨烯生产成本会越来越低，但短时间内石墨烯的价格还是比较高的，能明显影响电池成本。

　　其次，目前石墨烯的生产工艺还不能很好地解决低成本、高质量生产石墨烯的问题。尤其是不同生产批次的稳定性问题还不能很好地解决。电池使用的石墨烯，对产品质量和稳定性的要求是比较高的，如果不能很好地解决生产工艺问题，就不能给电池工业批量提供质量高、稳定性好的石墨烯，从而让电池的生产也面临不可控因素。

　　第三，石墨烯怎样添加到电极材料中去，怎样形成理想的支撑结构，也不是很简单的，对生产工艺的挑战比较大。可不是说把石墨烯添加到电极材料里面一搅和，石墨烯就乖乖就位的。石墨烯本身很容易聚集到一起，相互叠加就会影响石墨烯性能的发挥，石墨烯堆积多了，就变成石墨了，完全无法发挥石墨烯的优势了。

　　第四，石墨烯形成网状结构支撑电极材料，很有意义，但石墨烯在电极材料中也是障碍物，会阻碍锂离子的自由流动。所以怎样协调石墨烯和电极材料之间的关系，设计最优的结构也是影响电池性能发挥的重要因素。

　　为了更好发挥石墨烯的优势，降低石墨烯自身的缺点，在用石墨烯做导电剂的时候，往往会选择与导电剂搭配使用。既可以降低成本，也可以减少石墨烯自己团聚在一起而失效。

　　通过以上介绍，希望对大家理解石墨烯电池有一定的帮助，也希望科研工作者能继续努力，不断提高石墨烯在电池中的应用价值，让石墨烯电池名副其实。