科工力量：石墨烯電池“蠢蠢欲動”，華為P40 Pro戳中神經
【文/科工力量專欄作者 陳辰】
“石墨烯電池”的概念可謂炙手可熱。日前，華為新機型P40 Pro被華為法國官方推特曝出將採用“石墨烯電池”，國內石墨烯概念股隨即紛紛大漲。據不完全統計，在華為公司證實其為“假消息”之前，石墨烯板塊次日大漲逾100億市值。
資料顯示，石墨烯是目前世界上最薄、最堅硬、電阻最小的納米材料，具有高導電性、高強度、超輕薄等特性，曾被稱為具有革命性的“新材料之王”。同時，隨着更高速率和功耗的5G手機開始普及，“石墨烯電池”也一度被視為“電池救星”。
近年來，華為、三星等企業都曾大力投入“石墨烯電池”的研發，但目前技術進步及商用相對有限。“石墨烯電池”並不是整個電池都用石墨烯材料製作，而是在電池的電極使用石墨烯材料。這將提升電池的效率和使用壽命，但難以對鋰電池技術造成顛覆。
然而，整體而言，當前我國石墨烯產業已處於世界領先地位。現在國內已註冊的與石墨烯產業相關的企業、研發機構近2萬家，從業人員數百萬人。我國關於石墨烯的專利申請量、論文發表量在全球也是總量第一。在技術研發及規模商用探索上，石墨烯行業未來可期。
石墨烯到底是什麼
石墨烯，顧名思義，就是非常“稀”的石墨。狹義上來説，石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道呈蜂巢晶格排列構成的單層二維晶體，只有一個碳原子厚度的二維材料。廣義上而言，10層以內的石墨結構也可以稱作石墨烯。
石墨是由石墨烯一層層疊加構成。一塊高定向熱解石墨，用特殊膠帶粘住，一層一層撕到只有1層碳原子的厚度，這時得到的東西就是石墨烯。不過，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯，難以剝離出單層結構。
物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫
2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗時從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由，共同獲得 2010年諾貝爾物理學獎。
石墨烯電池能夠在最高60攝氏度下保持穩定，穩定且簡單的物理結構，讓這種材料能夠應付更為嚴苛的環境。同時，石墨烯結合了二維結構和碳元素物質的優良特性，也是目前發現的最薄、強度最大、電阻率最小、導電導熱性能最強的一種新型納米材料。
比如，其導熱係數高達5300 W/m·K，高於碳納米管和金剛石；常温下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高；而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低。同時它幾乎是完全透明的，只吸收 2.3% 的光。
由此，石墨烯被稱為“黑金”或“新材料之王”，被期待用來發展新一代電子元件或晶體管。部分科學家甚至預言石墨烯將徹底改變21世紀，極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性新技術新產業革命。
華為創始人任正非也曾表示，未來10到20年內會爆發一場技術革命，將來最大的顛覆事件是石墨烯時代取代硅時代。對於為何如此看好石墨烯，任正非的解釋是，芯片有極限寬度，硅的極限是7納米，已經臨近邊界，而石墨已經開始觸及技術革命前沿。
據悉，憑藉着多方面的優良特性，石墨烯的用途也非常廣泛，可以被應用於鋰離子電池電極材料、薄膜晶體管、傳感器、半導體器件、複合材料製備、透明顯示觸摸屏等方面。應用領域包括移動設備、航空航天、新能源電池以及化工行業的塗料、吸附、淡化等。
“石墨烯電池”往事
電池是石墨烯主要的用途之一。“石墨烯電池”已被智能手機行業內視為是下一個電池技術的突破和革新方向。當前，手機廠商在鋰電池裏添加石墨烯，石墨烯的微孔結構可以存儲鋰離子，將電池容量、充電速度、散熱和壽命等有效提升。
華為對“石墨烯電池”技術的研發由來已久。早在2015年10月23日，華為就對外宣佈與曼徹斯特大學合作研究石墨烯的應用。該項目合作期初定為兩年，研究如何將石墨烯領域的突破性成果應用於消費電子產品和移動通信設備。
華為石墨烯電池技術
2015年11月13日，華為瓦特實驗室在第56屆日本電池大會上展示了5分鐘即可充滿3000mAh電池48%電量的快充技術成果。華為介紹，這款快充電池最大的突破是採用新型分子結構的負極材料，其中有石墨分子結構。於是當年盛傳Mate 8將使用石墨烯電池，但實際並未如此。
次年，華為實現了將研發成果落地。2016年12月5日，華為瓦特實驗室在第57屆日本電池大會上宣佈推出業界首個高温長壽命“石墨烯基鋰離子電池”，以石墨烯為基礎的新型耐高温技術可以將鋰離子電池上限使用温度提高10℃，使用壽命是普通鋰離子電池的2倍。
不過，“石墨烯基鋰離子電池”主要用於通信基站。華為當時稱，在炎熱地區使用石墨烯助力的高温鋰離子電池的外掛基站工作壽命可達4年以上，將給通信基站的儲能業務帶來革新。此外，它也將助力電動車在高温環境下持久續航，以及無人機高温發熱下的安全飛行。然而，這項技術與手機電池並無關係。
2018年10月16日，華為發佈Mate 20系列手機。其中，經過數年時間研發，Mate 20 X配備的電池創造性地採用石墨烯+液冷散熱組合系統，將芯片傳導到後殼的熱量均攤給整個背殼以達到整機均温散熱的目的。這也是石墨烯技術自問世以來首次在智能手機上得到應用。
三星科學家展示石墨烯模型
值得一提，2017 年11月，三星電子表示，其研究機構三星先進技術研究院(SAIT)成功合成了“石墨烯球”，可將電池容量提高45%，只需要12分鐘即可充滿電，是現有標準的五倍。三星把這一研究發佈到了英國《自然通訊》雜誌上，但並沒有應用在當時坊間瘋傳的Galaxy S9手機上。
據悉，三星先進技術研究院於2018年底已完成製造“石墨烯電池”樣品，並在韓國和美國進行了專利申請。另據有關爆料稱，三星預計最快在今年或是2021年推出一款革命性手機，其所搭載的就是石墨烯技術。
行業技術、商用待突破
目前，石墨烯應用在電池上，主要有兩個方向，一是導電劑，二是做電極嵌鋰材料。不過，無論是做導電劑、電極嵌鋰材料，還是在鋰離子電池中加入石墨烯輔助散熱，這些“石墨烯電池”的充放電過程是通過鋰離子的遷移來實現，本質上依舊是鋰離子電池。
由此，石墨烯電池相關技術在實際應用中提升較為有限，“石墨烯電池”尚未能完全正名，並非像網絡流傳的那樣是對鋰離子電池的顛覆。但是，以技術水平來看，添加了石墨烯的鋰電池已經達到了當前的研發及商用“極限”。
相比鋰電池，“石墨烯電池”安全性大大提高，能量密度更高、佔用空間更小、散熱性更好等，不會因為温度升高而出現傳統鋰電池的發熱、發燙、起火問題。智能手機電池技術的下一次革新，極大的希望被認為就在於石墨烯技術的應用。
值得一提，期待石墨烯電池的還有被續航里程困擾的新能源車企等。2014年，西班牙石墨烯創業公司Graphenano與科爾瓦多大學合作研究出全球首個石墨烯聚合材料電池。裝配該電池的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。但目前仍未有“石墨烯電池”車出現。
實際上，石墨烯電池的技術研發及商用還面臨一些列問題。首先，石墨烯電池技術要從實驗階段到量產階段，製備成本也一直居高不下。此前石墨烯價格高達5000元/克，比黃金還貴10幾倍。目前，高純石墨烯每克仍在1000元以上，高導電石墨烯價格在每克600元左右。
其次，石墨烯表面積過大，會對現有鋰離子電池的分散均漿等工序帶來一大堆工藝問題。國內還沒有能夠實現石墨批量化生產的企業或研究機構，多數企業只能小量生產石墨烯，所使用的生產技術多為氧化還原法，生產出的石墨烯溶液也存在很多技術上需要突破的問題。
圖為 IBM 石墨烯芯片
另外，澳大利亞皇家墨爾本理工大學研究團隊在《自然通訊》期刊發佈的報告顯示，他們利用最先進的掃描透射電子顯微鏡對市面上的商用級石墨烯樣品進行了原子級別的詳細檢查，發現其中的硅污染程度很高，而這對石墨稀的性能表現有很大影響。
值得注意，目前沒有一個“標準等級”也是石墨烯面臨的問題，因為沒有標準去評判所產出的石墨烯究竟是否合格。由於石墨烯只有一層原子，特別容易受到表面污染的影響，而硅污染讓石墨烯性能表現不夠穩定，因而很難建立起一種工業標準來規範石墨烯的性能指標。
當前石墨烯技術還處在萌芽階段。整個產業的啓動，也基本上是從2010年石墨烯發明者獲得了諾貝爾獎之後開始。正常來説，一項新技術會遵循科研——供應鏈——產品這樣的流程。目前來看，石墨烯技術在科研這一層，還尚未取得能夠大規模落地的成果，行業技術、商用等還待突破。
中國石墨烯發展怎樣？
儘管石墨烯電池技術要從實驗階段到量產階段依然面臨着成本高、技術工藝等問題，而且採用石墨烯技術材料的智能手機仍沒有達到理想效果，但有機構預測，隨着石墨烯製備技術進一步推動規模化應用，5年至10年內市場將進入高速發展期。
5G將是推動石墨烯電池行業加速成熟的一個重要原因。目前，中國市場上的5G手機已超過20種，未來將會更多。相對而言，5G手機擁有更高速率以及更大功耗等。石墨烯對電池容量的提升、散熱能力的升級，成為5G手機設計的重點。
除了手機電池之外，石墨烯技術在較多領域也有着市場前景。《2018—2019中國石墨烯發展年度報告》的數據顯示，我國石墨烯產業化進程提速，產業前景廣闊，在複合材料、大健康、儲能、電子信息等多個領域的應用逐步拓展。
目前，我國石墨烯產業規模已處於世界領先地位。據前瞻產業研究院發佈的《石墨烯行業深度市場調研與投資戰略規劃分析報告》最新統計數據顯示，預計2019年中國石墨烯市場規模將達560億元，2022年中國石墨烯市場規模將達到2365億元。
據不完全統計，現在國內已註冊的與石墨烯產業相關的企業、研發機構近2萬家，從業人員數百萬人，並且都在不斷增加。同時，我國關於石墨烯的專利申請量、論文發表量在全球位居總量第一。我國石墨烯產能及應用成果，在全球也屬於第一方陣。
基於此，石墨烯技術概念在國內曾一度火熱。但隨着市場對石墨烯的認識不斷深入，石墨烯產業尚處於產業化突破前期、不具備大規模工業化生產能力逐漸成為共識。2018年與石墨烯相關的企業股票也都表現欠佳，資本的熱度開始減退，投資市場對石墨烯的認識趨於冷靜。
不過，由於石墨烯技術被寄予厚望，相關概念股實際也隨着形勢“蠢蠢欲動”。2019年2月，三星被傳出將在2020年發佈“石墨烯電池”手機，此後 A股石墨烯板塊在兩個多月時間累計漲幅近50%；12月24日，華為的P40 Pro“烏龍消息”，則讓石墨烯板塊總市值全天上漲逾180億元。
據悉，當前A股中共有50餘股涉及石墨烯概念，與電池研發生產直接相關的有十餘隻。其中，德爾未來2019年定增募資20億元投向含石墨烯超級電池項目以及含石墨烯超級電池材料項目；道氏技術子公司的主要產品為針對動力鋰離子電池用的石墨烯導電劑、碳納米管導電劑和石墨負極產品等。
可以説，石墨烯是一個全新的行業，需要時間的沉澱。其在成本控制和實用技術領域等方面還需要重大突破才可能最終應用於電子設備。而隨着低成本、高性能、規模化應用技術的突破，產業化應用從低端走到高端，從小規模走到大規模，石墨烯行業未來同樣可期。
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