現代人日常生活最怕啥?

答曰:手機沒電。

的確,自從手機邁入智能機時代以來,電池不耐用一直是其最大的短板。人們對手機越是依賴,對這個短板就越是深惡痛絕。

10月22日,手機廠商三星宣布他們即將推出商用化石墨烯電池。

事實上,不止三星,蘋果、華為等其他廠商近年來也都在石墨烯電池上投入巨資,以期實現那個傳說中“充電十分鐘,待機一整天”的神話。

那么,這個“石墨烯電池”究竟有何神奇之處,讓人們對它寄予如此厚望?

最薄、最硬也最導電的材料

從本質上講,石墨烯并不神秘,它的元素成分其實就是碳。碳在我們的生活中隨處可見,但是不同的結構差別極大。比如說生火的木炭和制作鉛筆芯的石墨主要成分都是碳,鉆石的成分其實也是碳。造鉛筆芯的石墨似乎相當柔軟,在紙張上輕輕一按就會留下痕跡,而鉆石則異常堅硬。

然而,如果深入物質的微觀結構,你會發現石墨其實并不“軟”,它給世人留下柔軟的印象是因為其中碳原子構成晶體的模式不是像鉆石一樣立體的互相連接,而是先在一個平面上彼此連接形成六邊形網格,而后再將這些平面網一層層疊起來。厚1毫米的石墨大約包含300萬層這種“平面網”,這些網之間的聯系非常脆弱,鉛筆輕輕在紙上一畫,就能留下幾層這種“網”。而如果能單獨剝離出一層這種“網”,就得到了所謂的石墨烯。

然而,雖然你每天用鉛筆寫字時其實都在給石墨“切片”,想要真正精確地從石墨中“撕”下一片石墨烯卻很難。2004年,英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃消洛夫終于發現了一種可行的方法:他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片,然后將薄片的兩面黏在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二。重復操作,薄片就越來越薄,最后,他們終于得到了僅由一層碳原子構成的石墨烯。

在對最終制得的石墨烯進行研究后,兩位科學家被自己的這個發現迷住了:石墨烯厚度僅為0.34納米,相當于頭發絲直徑的十五萬分之一,卻是目前世界上已知的最堅硬的材料,甚至超過鉆石。而且它透光性好,能折疊。更妙的是:因為只有一層原子,電子的運動被限制在一個平面上,石墨烯有了全新的電學屬性。石墨烯的導電性是目前電子工業最常用材料硅的140倍,電阻比銅或銀更低,是室溫下導電最好的材料。

由于這些優良性能,石墨烯立刻成為科學界的寵兒,被譽為“21世紀的革命性新材料”。科學界預言它將取代硅,為電子科技開創一個嶄新的時代。發現石墨烯的兩位教授憑著這一發現在2010年就獲得諾貝爾物理學獎,從發現到得獎只用了不到六年時間,在近年來的物理學獎記錄中相當少見。足見該發現意義之重大。

看上去很美的前景

在被發現后,石墨烯由于其獨特的二維結構、優異的電子傳輸能力以及超大的表面積等優勢被認為極有潛力替代石墨,成為新一代鋰離子電池負極材料。“石墨烯電池”的概念橫空出世。

石墨烯為什么能取代石墨做電池負極?原來,在傳統充電電池中,負極的石墨其實扮演了鋰的“儲藏箱”的作用——充電時鋰離子從正極脫出經過電解質“嵌”入石墨層間,放電時鋰離子脫出返回正極。所以,石墨層間能存住多少鋰離子就決定了電池能存住多少電量。而鋰離子能以多快的速度在石墨層間擴散,則制約了電池的充電時間。

與石墨相比,石墨烯電池中碳原子層的排布被人為拉開了。當其片層間距大于0.7納米時,每層石墨烯的兩面都變得可以存儲鋰離子。打個比方,這就好比幾排課桌,原本間距較小,每排中間只能放一排椅子,現在拉開了間距,椅子的容量自然加倍了。所以,理論上說,同等質量石墨烯材料的電容量可能是石墨的兩倍。

同時,由于石墨烯多為微納米尺寸,遠小于石墨,這就使得鋰離子的擴散路徑變短。而由于石墨烯的層間距遠遠大于石墨,也為鋰離子的傳輸提供了更多的通道——還是以前面那個比喻為例,這就好比在課桌間距拉開后,辟出的通道可以讓穿梭其中的人更快地坐滿。于是,石墨烯電池相較于傳統充電電池的充電速度也大大加快了。近年來的研究表明,石墨烯電池的充電速度可以達到傳統充電電池的5倍。

目前手機電池充滿電所需時間大約在一小時左右,能保證滿負荷運行半天左右的時間。結合上述兩個數據,石墨烯電池“充電十分鐘,待機一整天”還是非常令人期待的。

不過,相比于這個豐滿的理想,眼下的現實還是相當骨感的。事實上,三星公司并不是近年來第一個喊出即將推出石墨烯電池的手機廠商,美國的蘋果、中國的華為以及日本各大手機零件制造商也在拼命進行技術攻關,并不時畫個大餅,吊吊公眾的胃口。但真正貨真價實的石墨烯電池仍遲遲沒有投放市場。究其原因,使用石墨烯作為導電劑成本比普通的石墨高多了,而任何產品想要商業化,成本是最關鍵的因素,不降低原材料的成本,即使石墨烯性能再好,一噸幾十萬的成本,電池廠家也用不起。

美國媒體2016年的一項調查估計,只有把石墨烯電池價格控制在傳統充電電池1.5倍以下時,消費者們才會愿意為實現“充電十分鐘,待機一整天”而掏腰包。而目前的生產工藝,離這個目標還有相當的距離。眼下,即便是打著“石墨烯電池”噱頭的新款高端手機,也還是本著“好鋼用在刀刃上”的原則,在一些關鍵部位使用石墨烯,以期提高其性能。離前文所述真正的“石墨烯電池”尚有相當的距離。但毫無疑問,有朝一日,如果“石墨烯電池”真能突破瓶頸,實現量產化、商業化,恐怕將掀起一場前所未有的革命,讓眼下市面上的所有手機都瞬間過時——畢竟,天下人恐手機缺電久矣。