与诺贝尔物理学奖获得者康斯坦丁.诺沃肖洛夫教授探讨石墨烯技术

2017年8月27日下午在英国驻武汉总领事馆总领事官邸，笔者与康斯坦丁.诺沃肖洛夫教授（2010年诺贝尔物理学奖获得者）讨论了新能源汽车动力电池关键技术，即石墨稀的潜在应用和商业化价值有些收获，分享如下。

一、石墨烯与诺贝尔物理学奖

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯。两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

他们得诺贝尔物理学奖的理由是什么？他们证明了石墨烯可以单独存在。这里告诉人们：

①石墨烯是从石墨里离分离出来；

②石墨烯可以单独存在；

②)石墨与石墨烯是两种不同材料，这是从材料分子结构上来说的。

二、石墨及特性及应用

石墨名字来源于希腊文“graphein”， 1789年由德国化学家和矿物学家A. G. Werner 于命名的。

石墨是碳（元素）的一种同素异形体。每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子。属六方晶系，具完整的层状解理。（见图1）。 

石墨分子结构排列方式呈蜂巢式的多个六边形，是碳质元素结晶，解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，其特点是：

①石墨与金刚石、碳60、碳纳米管等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。

②石墨属于导电体。其天然可浮性很好。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子是能够自由移动的。

石墨作笔芯（见图2）是大家比较清楚的。实际上，广泛应用于石油化工、

图2 石墨笔芯实物

湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。在冶金工业中制造石墨坩埚；在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显像管的涂层等；在机械工业中常作为润滑剂。在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴，导弹的鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和防射线材料。

20 世纪60年代，铜做为电极材料被广泛应用，使用率约占90%，21世纪，越来越多的用户开始选择石墨作为电极材料，在欧洲，超过 90%以上的电极材料是石墨。大家知道了石墨比较好导体材料，于动力电池目前用石墨作负极。

三、石墨烯及特性、应用

石墨烯从石墨分子单独分离出来。其分子结构（见图1），由碳原子构成的单层片状结构的新材料，只有一个碳原子厚度的二维材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，与金刚石、石墨、C60  在分子结构层面上的不同的。是一种透明、良好的导体。

物理特点：

①石墨烯是世上最薄、是最坚硬的纳米材料 ，几乎是完全透明的；

②导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000 cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。

用途：

①适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

②电阻率极低，电子迁移速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

四、石墨烯动力锂离子电池主要优点

通过以上介绍，知道了石墨烯动力锂离子电池，是在动力锂离子电池的基础上用上石墨烯材料的动力电池，可以克服目前磷酸铁锂电池的一些缺点：

①充电时间过长，需要6-8小时；

②电池快充后寿命将大幅缩短，反复快冲严重影响电池性能；

③高温环境下电池组，循环寿命大大缩短。

石墨烯动力锂离子电池有优点是：

①单体动力电池比能量可以提高到150瓦时/公斤以上；

②充电时间缩短到0.5-1.5小；

③多电池的电池组寿命提高50%以上

③高温环境电池组循环寿命提高40%以上。

③8年使用，几乎不需更换。

五、笔者研习的体会

①石墨烯是一种新型材料，与石墨是同一个家族的，但是在分子结构上是不同的；

②在目前锂离子电池技术的基础上，用石墨烯替代石墨负极，即为石墨烯动力锂离子电池；

③动力电池负极材料，由铜材变成石墨材料，再有石墨变成石墨烯材料是一个基本趋势；

④石墨烯材料作为电池负极，可以提高动力电池充（放）电时间，可以提高安全性。

⑤动力电池提高比能量关键在材料，石墨烯材料作为电池负极对提高动力电池比能量作用是比较有限的。

⑥市面上，商业化的石墨烯动力锂离子电池，估计进度是会相当快的。