大家都聽說石墨烯電池可以讓電池電量更充足，充電速度更快，使用壽命更長。大家也知道，石墨烯是2010年以來一直在熱炒的高科技新材料，具有很多優異的性能。那么石墨烯到底在電池中發揮什么樣的作用呢？咱們來聊聊這個事情。
自從2010年石墨烯的研究者獲得諾貝爾獎以來，石墨烯這個材料始終是新材料、高科技的代名詞。這個殊榮嚴格來說并不為過，相對于石墨，石墨烯表現出了非常優異的物理、化學性能，給材料科學領域帶來了一個閃光的新材料。它的導電性、導熱性好，比表面積大，結構結實而且還有彈性，在航多行業都巨大的應用潛力。
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在電池領域，石墨烯有很多功能，這些功能都讓石墨烯成為電池生產的香餑餑。我們主要以鋰離子電池為例來解釋石墨烯在電池中的作用
一、 石墨烯具有很大的比表面積， 適合做電極材料
雖然石墨也是由石墨烯形成的，但石墨里面的石墨烯是緊密堆疊在一起的，它們的距離太近了，中間很難塞進東西去。就像我們前面說過的，鈉離子電池如果用石墨來做負極的話，電池容量非常低，因為鈉離子很難進入石墨烯間隙。鋰離子雖然可以進入石墨烯間隙，但容量也不算高，大概每6個碳原子只能容納一個鋰離子。這樣的電極材料，容納鋰離子的能力低，制造的電池電量自然也很難提升。
石墨烯相對于石墨來說就有更大的優勢，石墨烯就像一張紙，紙的兩面都可以放鋰離子，相對于石墨來說容量增加了一倍。所以，如果用石墨烯做負極材料的話，比用石墨做負極材料能儲存更多的電量。儲存更多電量就意味著用電器（手機、汽車）可以擁有更長的續航時間，能做更多的工作。
嚴格來說，用石墨烯制作電極材料的電池，才是真正意義上的石墨烯電池。但現實中這類電池并不多，畢竟石墨烯電極生產和使用還有很多困難，成本也會比較高。要知道，石墨烯一旦疊到一起，就變成石墨了，那它跟石墨的性質就沒有太大的區別了。本來鋰離子的存在，可以阻止石墨烯疊到一起，但放電的過程中鋰離子會離開，石墨烯很容易疊到一起，充電的時候是無法重新把它們分開的。
二、 石墨烯導電性非常好， 可以做導電添加劑
石墨烯本身導電性能非常好，電阻小、電子傳輸速度快、導電性能受溫度影響小。鋰離子電池的正極材料往往都是一些導電性比較差的固體物質，鋰離子進出這些物質要求它們的導電能力比較好，否則會嚴重影響電池的性能。傳統的鋰離子電池正極材料中也需要添加一些導電物質幫助正極材料導電。經常添加炭黑、導電石墨、Super Li、乙炔黑、科琴黑、碳納米管等等。這些材料也能改善正極的導電性能。但是石墨烯卻具有比他們更好的導電性能。
本身石墨烯是片狀的結構，而且很柔軟，把它們添加到正極材料中，它們可以跟正極材料顆粒更好地接觸。別的導電材料跟正極材料接觸往往是點對點接觸或者線接觸，而石墨烯可以跟正極材料進行面接觸，接觸更好，導電性能自然也更好。石墨烯本身傳導電子的能力很強，添加石墨烯的正極材料中，石墨烯可以形成一個網絡結構，能高效傳導電子，不管是放電還是充電，都可以幫助正極材料有效工作。
不僅僅是正極材料，很多負極材料也需要石墨烯參與。當發現石墨負極的缺點以后，人們又研發出了很多其他類型的負極材料。比如金屬氧化物負極材料、金屬硫化物負極材料、硅負極材料等等。像特斯拉汽車的電池就是較早使用硅負極材料的。硅負極材料，相對于石墨來說具有更高的鋰離子容量，也就是可以制造更高容量的電池。這類電池相對于石墨電池來說具有很大的優勢，但也有一定的劣勢。比如導電性能比較差，需要添加一定量的石墨烯來幫助導電。金屬氧化物等負極材料，也受制于導電能力而需要石墨烯的幫助。
三、 石墨烯是非常優秀的支撐材料
剛剛提到石墨烯添加到正極或負極材料中，可以充當導電劑。其實石墨烯相對于其它導電劑還有一個獨特的優勢，那就是支撐材料。不管是正極材料還是石墨以外的負極材料，在充放電的過程中都面臨一個問題，那就是鋰離子需要進出材料內部。鋰離子進去的時候會撐大內部空間，讓材料體積變大，出來的時候材料會收縮。反復充放電，會造成電極材料的結構被破壞，電池容量不斷下降。
石墨烯是一種非常結實的材料，比鋼鐵還結實，比鉆石還要結實。充填到電極材料中的石墨烯形成一個網格結構，這些網格除了可以導電以外，還可以起到良好的支撐作用，避免鋰離子進出電極材料而帶來的結構破壞。這樣可以大大延長電極材料的壽命，從而延長電池的壽命，增加電池的充放電次數。
同時，石墨烯的強力支撐，還可以幫助電池能更好地適應快速充放電?，F在電動汽車不太受歡迎，很重要的一個原因就是充電的速度太慢了，尤其是在行程中，需要充電的時候不僅需要排隊還需要等待很長時間完成充電，如果能十幾分鐘完成充電，人們接受度就會大大提高。包括我們的手機，以前往往需要幾個小時甚至十幾個小時才能充滿，現在的快充技術甚至可以十幾分鐘就充滿電。但是，快速充電對于電極材料的考驗是很大的，鋰離子的快速進出，對于電極材料的結構破壞程度更大，會明顯降低電池的使用壽命。用上石墨烯骨架的電極材料，抵抗快速充電的能力大大提高，不僅可以提高電池的壽命，也可以解決人們最關心的痛點。
此外，對于硅電極來說，在工作中很容易在表面覆蓋一層絕緣的固體電解質膜，從而阻礙電池性能的發揮。石墨烯材料在把硅材料包裹起來的同時，還可以阻礙固體電解質膜的形成，減少因絕緣物質形成而造成的性能下降。
四、 石墨烯是非常好的導熱材料
石墨烯的導熱性能非常好，比鉆石還要好，更比常見的金屬金銀銅鐵的導熱性能都好。現在很多手機、電子產品都開始使用石墨烯作為散熱材料，利用的就是石墨烯的導熱性。石墨烯添加到電池內部，除了前面的好處以外，還有利于電池內部熱量的傳導，避免電池內部過熱而發生危險。石墨烯幫助散熱的電池，在充放電的過程中不容易發生鼓包之類的危險事故。此外，石墨烯對于電池冬季電量偏低的現象也是有幫助的。因為石墨烯本身導熱性很好，電池冬季使用的時候，可以把外部的熱量更好地傳導到電池內部，解決內部低溫帶來的負面影響。
五、 石墨烯的缺點
石墨烯當然也不會全是優點，沒有缺點，應用在電池中，也有一些缺點存在。
首先，石墨烯的價格比較高，添加到電池內部自然就會抬高電池的生產成本。雖然以后石墨烯生產成本會越來越低，但短時間內石墨烯的價格還是比較高的，能明顯影響電池成本。
其次，目前石墨烯的生產工藝還不能很好地解決低成本、高質量生產石墨烯的問題。尤其是不同生產批次的穩定性問題還不能很好地解決。電池使用的石墨烯，對產品質量和穩定性的要求是比較高的，如果不能很好地解決生產工藝問題，就不能給電池工業批量提供質量高、穩定性好的石墨烯，從而讓電池的生產也面臨不可控因素。
第三，石墨烯怎樣添加到電極材料中去，怎樣形成理想的支撐結構，也不是很簡單的，對生產工藝的挑戰比較大。可不是說把石墨烯添加到電極材料里面一攪和，石墨烯就乖乖就位的。石墨烯本身很容易聚集到一起，相互疊加就會影響石墨烯性能的發揮，石墨烯堆積多了，就變成石墨了，完全無法發揮石墨烯的優勢了。
第四，石墨烯形成網狀結構支撐電極材料，很有意義，但石墨烯在電極材料中也是障礙物，會阻礙鋰離子的自由流動。所以怎樣協調石墨烯和電極材料之間的關系，設計最優的結構也是影響電池性能發揮的重要因素。
為了更好發揮石墨烯的優勢，降低石墨烯自身的缺點，在用石墨烯做導電劑的時候，往往會選擇與其它導電劑搭配使用。既可以降低成本，也可以減少石墨烯自己團聚在一起而失效。
通過以上介紹，希望對大家理解石墨烯電池有一定的幫助，也希望科研工作者能繼續努力，不斷提高石墨烯在電池中的應用價值，讓石墨烯電池名副其實。
