2017年8月27日下午在英國駐武漢總領事館總領事官邸，筆者與康斯坦丁.諾沃肖洛夫教授（2010年諾貝爾物理學獎獲得者）討論了新能源汽車動力電池關鍵技術，即石墨稀的潛在應用和商業化價值有些收穫，分享如下。
一、石墨烯與諾貝爾物理學獎
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，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯。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。
他們得諾貝爾物理學獎的理由是什麼？他們證明了石墨烯可以單獨存在。這裡告訴人們：
①石墨烯是從石墨裡離分離出來；
②石墨烯可以單獨存在；
②)石墨與石墨烯是兩種不同材料，這是從材料分子結構上來說的。
二、石墨及特性及應用
石墨名字來源於希臘文「graphein」，1789年由德國化學家和礦物學家A.G.Werner於命名的。
石墨是碳（元素）的一種同素異形體。每個碳原子的周邊連結著另外三個碳原子（排列方式呈蜂巢式的多個六邊形）以共價鍵結合，構成共價分子。屬六方晶系，具完整的層狀解理。（見圖1）。
圖1碳（元素）不同的分子結構圖
石墨分子結構排列方式呈蜂巢式的多個六邊形，是碳質元素結晶，解理面以分子鍵為主，對分子吸引力較弱，其特點是：
①石墨與金剛石、碳60、碳納米管等都是碳元素的單質，它們互為同素異形體。
②石墨屬於導電體。其天然可浮性很好。由於每個碳原子均會放出一個電子，那些電子是能夠自由移動的。
石墨作筆芯（見圖2）是大家比較清楚的。實際上，廣泛應用於石油化工、
圖2石墨筆芯實物
溼法冶金、酸鹼生產、合成纖維、造紙等工業部門，可節省大量的金屬材料。在冶金工業中製造石墨坩堝；在電氣工業上用作製造電極、電刷、碳棒、碳管、水銀正流器的正極，石墨墊圈、電話零件，電視機顯像管的塗層等；在機械工業中常作為潤滑劑。在國防工業中還用石墨製造固體燃料火箭的噴嘴，飛彈的鼻錐，宇宙航行設備的零件，隔熱材料和防射線材料。
20世紀60年代，銅做為電極材料被廣泛應用，使用率約佔90%，21世紀，越來越多的用戶開始選擇石墨作為電極材料，在歐洲，超過90%以上的電極材料是石墨。大家知道了石墨比較好導體材料，於動力電池目前用石墨作負極。
三、石墨烯及特性、應用
石墨烯從石墨分子單獨分離出來。其分子結構（見圖1），由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，只有一個碳原子厚度的二維材料，由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，與金剛石、石墨、C60 在分子結構層面上的不同的。是一種透明、良好的導體。
物理特點：
①石墨烯是世上最薄、是最堅硬的納米材料，幾乎是完全透明的；
②導熱係數高達5300W/m·K，高於碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率*超過15000cm²/V·s，又比納米碳管或矽晶體高，而電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。
用途：
①適合用來製造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。
②電阻率極低，電子遷移速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。
四、石墨烯動力鋰離子電池主要優點
通過以上介紹，知道了石墨烯動力鋰離子電池，是在動力鋰離子電池的基礎上用上石墨烯材料的動力電池，可以克服目前磷酸鐵鋰電池的一些缺點：
①充電時間過長，需要6-8小時；
②電池快充後壽命將大幅縮短，反覆快衝嚴重影響電池性能；
③高溫環境下電池組，循環壽命大大縮短。
石墨烯動力鋰離子電池有優點是：
①單體動力電池比能量可以提高到150瓦時/公斤以上；
②充電時間縮短到0.5-1.5小；
③多電池的電池組壽命提高50%以上
③高溫環境電池組循環壽命提高40%以上。
③8年使用，幾乎不需更換。
五、筆者研習的體會
①石墨烯是一種新型材料，與石墨是同一個家族的，但是在分子結構上是不同的；
②在目前鋰離子電池技術的基礎上，用石墨烯替代石墨負極，即為石墨烯動力鋰離子電池；
③動力電池負極材料，由銅材變成石墨材料，再有石墨變成石墨烯材料是一個基本趨勢；
④石墨烯材料作為電池負極，可以提高動力電池充（放）電時間，可以提高安全性。
⑤動力電池提高比能量關鍵在材料，石墨烯材料作為電池負極對提高動力電池比能量作用是比較有限的。
⑥市面上，商業化的石墨烯動力鋰離子電池，估計進度是會相當快的。
來源：
作者：雷洪鈞
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