石墨烯電池，利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。石墨烯電池在飽和氯化銅溶液中，時(shí)間(小時(shí)、天數(shù))和產(chǎn)生電壓的關(guān)系。石墨烯可以改善電池的屬性，如能量密度和形式以各種方式。

現(xiàn)在業(yè)界普遍形成一種共識(shí)，石墨烯電池應(yīng)用中，必將實(shí)現(xiàn)大容量電池設(shè)備快充目標(biāo)。一旦成功使用，智能手機(jī)、新能源轎車目前在電量方面的限制將得到逆轉(zhuǎn)，甚至在電池運(yùn)用領(lǐng)域引發(fā)新的工業(yè)革命。

中國目前已經(jīng)走在了石墨烯產(chǎn)業(yè)化的前列，涌現(xiàn)出了一大批石墨烯企業(yè)，產(chǎn)業(yè)方向集中在石墨烯的制備以及儲(chǔ)能、觸摸屏和涂層等幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。但是，石墨烯電池市場還在初級(jí)導(dǎo)入階段，很多技術(shù)和生產(chǎn)工藝的問題還沒有解決，大量的商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)還沒有形成，只在部分研究實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行試產(chǎn)。目前從事石墨烯產(chǎn)業(yè)的企業(yè)有上千家，主流的只有幾十家。2015年，石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈國內(nèi)市場規(guī)模高達(dá)233.2億元，石墨烯的應(yīng)用市場規(guī)模大約在90-100億元，其中石墨烯電池市場規(guī)模大約31億元。國內(nèi)主要研究的是石墨烯運(yùn)用到鋰電池上，而非全新體系的"超級(jí)電池"，所以國內(nèi)技術(shù)和超級(jí)電池有一定差距。國家相關(guān)部門對此很重視，2016年出臺(tái)的"十三五"新材料規(guī)劃可能將石墨烯納入其中。

石墨烯在鋰電池中的應(yīng)用

我們首先來看下鋰電池的市場格局。日本是最早實(shí)現(xiàn)鋰電池商用化的國家，在2000年以前，全球鋰電的生產(chǎn)基本被日本壟斷。但隨著中國、韓國鋰電池制造技術(shù)的開發(fā)和提升，日本鋰電池出貨量的比例在逐漸降低，而中國和韓國鋰電池出貨量的比例在逐漸增加。下圖是2014年全球鋰電池市場份額情況，從圖中我們可以看出現(xiàn)在全球鋰離子電池市場呈現(xiàn)中、日、韓三足鼎立的局面。

假設(shè)，石墨烯電池應(yīng)用到手機(jī)電池上，會(huì)有什么改變呢？

2016年12月1日，華為瓦特實(shí)驗(yàn)室宣布，華為的石墨烯基鋰離子電池取得重大突破，并將在12月底發(fā)布搭載石墨烯電池的手機(jī)。這預(yù)示著石墨烯手機(jī)電池即將從理論概念變成實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)入消費(fèi)領(lǐng)域。

石墨烯手機(jī)電池的優(yōu)勢與意義

石墨烯具有優(yōu)異的傳導(dǎo)性能及獨(dú)特的二維單原子層結(jié)構(gòu)，它可以擴(kuò)大電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)間隔，使鋰離子獲得高速率通道的性能，從而擁有比普通鋰離子電池更好的性能。西班牙科爾瓦多大學(xué)的研究數(shù)據(jù)顯示，石墨烯電池的重量只有鋰離子電池的一半，能量密度可達(dá)600wh/kg，而常用鋰電池的能量密度只有140Wh/Kg。也就是說，石墨烯電池的儲(chǔ)電和續(xù)航能力是鋰電池的4倍以上。另外，根據(jù)美國倫斯勒理工學(xué)院的研究，石墨烯電池的充放電速度是鋰離子電池的10倍。

憑借優(yōu)異的性能，石墨烯電池的商業(yè)化應(yīng)用將打破現(xiàn)有手機(jī)行業(yè)的諸多瓶頸。

首先，石墨烯電池可以打破手機(jī)使用時(shí)間的瓶頸。目前，鋰離子電池越來越難以滿足消費(fèi)者的日常需求，很多消費(fèi)者經(jīng)常抱怨手機(jī)需要一天兩充甚至一天三充。

而石墨烯電池憑借強(qiáng)大的儲(chǔ)電能力，可以極大的提高手機(jī)電池的使用時(shí)長。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)院研制的“烯王”石墨烯手機(jī)電池，充滿電后可以使用長達(dá)半個(gè)月的時(shí)間。

其次，石墨烯電池可以打破手機(jī)設(shè)計(jì)空間的瓶頸。由于鋰電池技術(shù)沒有突破性革新，延長手機(jī)續(xù)航只能依靠加大電池容量，這也意味著手機(jī)廠商不得不采用體積更大的電池，增大了手機(jī)空間，影響了美觀性。

石墨烯電池?fù)碛袠O高的能量密度，可以用更小的空間提供更多的電量，從而節(jié)省了手機(jī)的設(shè)計(jì)空間，使得手機(jī)變得越來越纖薄，并為柔性屏手機(jī)如何解決電量問題提供支撐。西班牙科爾瓦多大學(xué)的研究人員稱，同樣的電池容量，石墨烯電池的體積只有鋰離子電池的50%。

另外，石墨烯電池可以打破手機(jī)分辨率的瓶頸。目前，大部分手機(jī)的屏幕分辨率是1080P，采用2K或更高分辨率的屏幕，意味著耗電量的增高和散熱量的加大。2014年至2015年，小米、魅族、聯(lián)想等手機(jī)廠商發(fā)布了幾款2k分辨率的手機(jī)，例如小米NOTE頂配版、魅族MX4PRO、聯(lián)想K920等，但是由于鋰離子電池的局限性，這些手機(jī)的實(shí)際體驗(yàn)較差。手機(jī)廠商在之后推出的手機(jī)上，不得不用回1080P分辨率屏幕。

憑借極高的儲(chǔ)電能力和出色的散熱性，石墨烯電池可以在提升手機(jī)分辨率的同時(shí)，提供良好的用戶體驗(yàn)，有利于提升手機(jī)的視覺效果。另外，石墨烯電池還滿足了VR對于高分辨率的需求，為手機(jī)與VR的結(jié)合提供支撐。

石墨烯電池的局限性

石墨烯表面特性受化學(xué)狀態(tài)和外界因素影響很大，這在客觀上加大了石墨烯電池的制備難度，導(dǎo)致成品率極低，具備生產(chǎn)石墨烯手機(jī)電池條件的廠商極少。而且，石墨烯電池的安全性等性能有待市場的考驗(yàn)。所以，短時(shí)間內(nèi)，石墨烯電池難以在手機(jī)行業(yè)普及開來。

綜合來看，石墨烯手機(jī)電池的商業(yè)化應(yīng)用將引發(fā)一系列變革，為未來手機(jī)行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展提供輔助支撐。但是，這種變革在短時(shí)間內(nèi)具有很大的局限性。雖然“石墨烯時(shí)代即將到來”，但“石墨烯的制備技術(shù)以及價(jià)格高昂”，是制約其市場化的“瓶頸”。以前石墨烯價(jià)格比黃金還貴，所以被稱為‘黑金’，現(xiàn)在依舊要幾十塊上百塊一克。一塊手機(jī)電池，需要加入三四克石墨烯，成本增加多少可想而知。

石墨烯發(fā)展的最大問題，就是應(yīng)用瓶頸問題。企業(yè)之所以在實(shí)際運(yùn)用中很少采用石墨烯，是因?yàn)槠髽I(yè)核心研發(fā)人員還不了解石墨烯。石墨烯的市場應(yīng)用瓶頸，也在于石墨烯本身的變數(shù)，同樣的制備方法，在不同的環(huán)境里得到的結(jié)果是不一樣的，因此要應(yīng)用到產(chǎn)品中，這是個(gè)很大的難點(diǎn)。

概念上講，石墨烯是只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料，意味著真正的石墨烯是單層的，僅有一個(gè)原子的厚度，是目前已知的最薄的一種材料。正是在單層的條件下，石墨烯才具備多重讓人驚喜的屬性。比如在納米級(jí)別上，其強(qiáng)度是鋼鐵的20倍，但同時(shí)具有20%拉伸不斷裂的柔性；它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s。這些優(yōu)異的性質(zhì)，被認(rèn)為是石墨烯可以顛覆很多產(chǎn)業(yè)的原因。

石墨烯電池領(lǐng)域整體上產(chǎn)業(yè)化程度不高，但未來空間大。從石墨烯電池行業(yè)本身來看，受到制備技術(shù)不夠成熟、下游需求缺乏剛性支撐等因素影響，總體來說目前石墨烯電池行業(yè)仍處于研究與小批量量產(chǎn)階段，生產(chǎn)商也在不斷努力對接下游市場需求，除個(gè)別產(chǎn)品如石墨烯導(dǎo)電劑外，整體來看目前滲透率和產(chǎn)業(yè)化程度并不算高。

石墨烯導(dǎo)電漿料銷量呈爆發(fā)式增長，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展超預(yù)期。眾多潛在應(yīng)用之中，石墨烯粉體作為導(dǎo)電劑添加至鋰電池電極，可有效改善電極材料的導(dǎo)電性能和倍率性能，目前已實(shí)現(xiàn)超預(yù)期的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。

石墨烯在鉛酸電池領(lǐng)域的應(yīng)用也在悄然推進(jìn)。鉛酸電池市場早已深陷競爭“紅?！保a(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，各廠商間大打價(jià)格戰(zhàn)。添加石墨烯的黑金電池向市場提供差異化產(chǎn)品，將現(xiàn)有的鉛酸電池市場區(qū)分為高能電池市場和普通電池市場，提升電池能量密度的同時(shí)成本保持穩(wěn)定，有利于注重研發(fā)的大企業(yè)把握更多的市場份額、增厚盈利水平。

石墨烯在電池領(lǐng)域市場空間大，不僅在鋰電池領(lǐng)域直擊動(dòng)力電池大規(guī)模推廣的痛點(diǎn)，對鉛酸電池領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)升級(jí)意義不凡。目前石墨烯導(dǎo)電劑市場化一枝獨(dú)秀，非?？春闷渌较虻亩帱c(diǎn)開花。石墨烯電池市場化前奏已經(jīng)響起，即將進(jìn)入全面爆發(fā)期。

如何真正利用石墨烯的這些特性，如何解決應(yīng)用瓶頸，只有真正做到了技術(shù)與理論差距可以忽視的時(shí)候，就是石墨烯真正的全面普及的時(shí)候。