石墨

圖1改性天然石墨

　　據(jù)媒體預(yù)計(jì)，今年隨著電動汽車的蓬勃發(fā)展，鋰離子電池需求激增，將帶動下游的石墨產(chǎn)業(yè)。盡管石墨的價(jià)格和銷量一直不見起色，但投機(jī)者依舊看好石墨需求趨緊的前景。

　　石墨是碳的一種同素異形體，二者緊密相關(guān)。同素異形體是指同一元素組成的不同結(jié)構(gòu)的單質(zhì)。石墨是碳元素最穩(wěn)定的存在形式。（金剛石是碳的一種亞穩(wěn)態(tài)同素異形體，雖然它的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨，是自然界中硬度最高的物質(zhì)，但它的穩(wěn)定性卻低于石墨。）

　　“石墨”一詞來源于希臘語“graphein”，該材料耐高溫，耐腐蝕，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和穩(wěn)定的化學(xué)性能，同時(shí)比鋁要輕。除了用作鋰離子電池的負(fù)極材料外，優(yōu)質(zhì)的石墨還可用于燃料電池、太陽能電池、半導(dǎo)體、發(fā)光二極管以及核反應(yīng)堆等不同領(lǐng)域。

　　碳纖維是一種由碳原子鍵合形成的微晶材料，直徑只有5-10μm，大約是人體頭發(fā)絲直徑的十分之一，但其強(qiáng)度卻非常高。碳碳鍵像編織衣物一樣沿著聚合物基體成鍵，碳纖維強(qiáng)度強(qiáng)于鋼絲卻比鋼絲更輕。碳纖維材料常用于高爾夫球桿，自行車架，并有望取代鋁，用于汽車和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)架，例如波音787和空客350X中都使用了大量的碳纖維材料。

　　目前，石墨材料僅占全球電池需求量的5%。人們有兩種方式獲取石墨：一是天然礦石，二是煤焦油的合成。而鋰離子電池使用的石墨材料一般是由55%的合成石墨與45%低純度的天然石墨調(diào)和制備的。

　　生產(chǎn)廠家曾經(jīng)一度青睞合成石墨，因?yàn)楹铣墒�墨的均一性和純度要�?yōu)于天然石墨。現(xiàn)在情況卻有了轉(zhuǎn)變，現(xiàn)代化學(xué)提純方法的應(yīng)用使得經(jīng)熱處理可獲得99.9%純度的天然石墨，相比之下，合成石墨的純度為99%，因而前者更受歡迎。

　　與合成石墨相比，經(jīng)過提純的天然片狀石墨有更高的結(jié)晶度，表現(xiàn)出更好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。此外，天然石墨有望降低鋰離子電池的生產(chǎn)成本，同時(shí)還能獲得同等甚至更優(yōu)異的電池性能�，F(xiàn)在用于鋰離子電池的合成石墨的售價(jià)為每噸10，000美元，而通過天然石墨薄片加工的的球形石墨售價(jià)僅為每噸7，000美元（2015年價(jià)格），未加工處理的天然石墨還要便宜。

　　可以預(yù)計(jì)的是合成石墨終將被替代，未來屬于更便宜更環(huán)保的天然石墨，而以天然石墨為原料合成的石墨烯，則是科學(xué)家們?yōu)槲覀兝L制的另一番藍(lán)圖。

　　石墨烯

圖2石墨烯鋰離子電池示意圖

　　石墨烯是碳的另一種同素異形體，是一種六角形晶格結(jié)構(gòu)的平面薄膜，它僅一個(gè)碳原子層厚度，具有柔韌、透明、不透水的特點(diǎn)，比鉆石還要堅(jiān)硬而且比黃金更容易導(dǎo)電，每個(gè)碳原子周圍有三個(gè)電子，并與最近鄰原子的電子，形成化學(xué)鍵。專家認(rèn)為，石墨烯這種神奇的材料可用于包括電池在內(nèi)的多種產(chǎn)品。

　　用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，石墨烯的電化學(xué)儲能性能優(yōu)于石墨，而且其充電速度比石墨快十倍，有望實(shí)現(xiàn)快速充電，此外，鋰離子電池的負(fù)載能力也會得到提升。

　　對于傳統(tǒng)的石墨負(fù)極，鋰離子會沉積在負(fù)極表面形成枝晶。石墨烯卻完美地解決這一問題，使得鋰離子可以通過表面10-20nm的微小孔洞在石墨烯片間很好地存儲，同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速充電和能量的最佳存儲。一旦實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，這樣的電池估計(jì)可以存儲10倍于普通石墨負(fù)極的能量。

　　石墨烯還可以摻入氧化釩中來提高正極材料的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)研究表明，這種改性后的正極材料組裝的電池能夠在20秒內(nèi)完成充電，而且循環(huán)1000次后容量保持率高達(dá)90%。石墨烯也被用于超級電容器、太陽能電池的研究，希望以此提高比能量密度。圖3為掃描探針顯微鏡（SPM）下石墨烯獨(dú)特的晶格圖像。

圖3 掃描探針顯微鏡（SPM）下的石墨烯圖像

　　石墨烯的優(yōu)異性在學(xué)術(shù)界已被爭論了幾十年，但目前這種優(yōu)異性依舊沒有步入商業(yè)化生產(chǎn)，神奇的是，幾個(gè)世紀(jì)以來我們一直在鉛筆以及其他產(chǎn)品中不經(jīng)意間使用石墨烯。我們也許只有更好地探索石墨烯的機(jī)理和結(jié)構(gòu)，才能早日實(shí)現(xiàn)它的廣泛應(yīng)用。