石墨

圖1改性天然石墨

　　據媒體預計，今年隨著電動汽車的蓬勃發展，鋰離子電池需求激增，將帶動下游的石墨產業。盡管石墨的價格和銷量一直不見起色，但投機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。同素異形體是指同一元素組成的不同結構的單質。石墨是碳元素最穩定的存在形式。（金剛石是碳的一種亞穩態同素異形體，雖然它的硬度遠遠高于石墨，是自然界中硬度最高的物質，但它的穩定性卻低于石墨。）

　　“石墨”一詞來源于希臘語“graphein”，該材料耐高溫，耐腐蝕，具有良好的導電性、導熱性和穩定的化學性能，同時比鋁要輕。除了用作鋰離子電池的負極材料外，優質的石墨還可用于燃料電池、太陽能電池、半導體、發光二極管以及核反應堆等不同領域。

　　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，大約是人體頭發絲直徑的十分之一，但其強度卻非常高。碳碳鍵像編織衣物一樣沿著聚合物基體成鍵，碳纖維強度強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，用于汽車和飛機的結構架，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和制備的。

　　生產廠家曾經一度青睞合成石墨，因為合成石墨的均一性和純度要優于天然石墨�，F在情況卻有了轉變，現代化學提純方法的應用使得經熱處理可獲得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，經過提純的天然片狀石墨有更高的結晶度，表現出更好的導電性和導熱性。此外，天然石墨有望降低鋰離子電池的生產成本，同時還能獲得同等甚至更優異的電池性能�，F在用于鋰離子電池的合成石墨的售價為每噸10，000美元，而通過天然石墨薄片加工的的球形石墨售價僅為每噸7，000美元（2015年價格），未加工處理的天然石墨還要便宜。

　　可以預計的是合成石墨終將被替代，未來屬于更便宜更環保的天然石墨，而以天然石墨為原料合成的石墨烯，則是科學家們為我們繪制的另一番藍圖。

　　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構的平面薄膜，它僅一個碳原子層厚度，具有柔韌、透明、不透水的特點，比鉆石還要堅硬而且比黃金更容易導電，每個碳原子周圍有三個電子，并與最近鄰原子的電子，形成化學鍵。專家認為，石墨烯這種神奇的材料可用于包括電池在內的多種產品。

　　用作鋰離子電池負極材料時，石墨烯的電化學儲能性能優于石墨，而且其充電速度比石墨快十倍，有望實現快速充電，此外，鋰離子電池的負載能力也會得到提升。

　　對于傳統的石墨負極，鋰離子會沉積在負極表面形成枝晶。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，同時實現快速充電和能量的最佳存儲。一旦實現應用，這樣的電池估計可以存儲10倍于普通石墨負極的能量。

　　石墨烯還可以摻入氧化釩中來提高正極材料的電化學性能。實驗研究表明，這種改性后的正極材料組裝的電池能夠在20秒內完成充電，而且循環1000次后容量保持率高達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

　　石墨烯的優異性在學術界已被爭論了幾十年，但目前這種優異性依舊沒有步入商業化生產，神奇的是，幾個世紀以來我們一直在鉛筆以及其他產品中不經意間使用石墨烯。我們也許只有更好地探索石墨烯的機理和結構，才能早日實現它的廣泛應用。