从超级电池到绿色水泥，“石墨烯”或将带来颠覆性材料革命？

大家可能会在新闻中看到，“石墨烯电池”这个词。传说可以15秒充满手机，几分钟充满电动车，可以循环使用几万甚至10几万次。

但现实是，这种电池现在也是在研究阶段，要实现商业化，大家拿到手中，起码还要三五年的时间。

那有人就会问，什么是“石墨烯”？这玩意到底有什么用？是怎么造出来的？为什么有人会说它将引导新兴材料革命？接下来我会一一给大家解答。通过阅读这篇文章，让大家对石墨烯有一个全面的认知和了解。

文/白墨

编/江北

石墨烯和钻石、石墨的成分是一样的，都是碳元素，只是原子的排列结构不一样。用课本上的话说，三者是“同素异形体”。就是咱们在初中物理课本上讲的，钻石和石墨的成分都是碳原子，那为什么一个坚不可摧，一个非常脆弱。原因就是碳原子的排列结构不同。

钻石的结构是，每个碳原子都跟周围的4 个碳原子连接在一起，形成正四面结构，所以特别硬。石墨则是每个碳原子与另外三个碳原子相联，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。

而石墨烯的结构则像一层层网叠在一起，每一层像蜂窝一样，网眼是六边形的结构，所以石墨和石墨烯都比较软。

石墨烯本质上是特别轻薄的石墨。最薄的只有一层碳原子的厚度，几乎达到了可以忽略不计的程度，所以石墨烯也被认为是“二维结构”。

石墨烯有三大特点：

第一，轻薄。

石墨烯是目前已知的最薄、最轻的材料，而且几乎完全透光。

第二，强韧。

据说它的强度是钢铁的 200 倍。

图/左边为3D打印的石墨烯模型，右边为普通塑料抗压对比

第三，导热导电。

导电和导热性能特别强，而且能很好地吸收光线，可以用于制造超导体。

第四，节能环保。

很多公司都在尝试利用废弃物脱碳，来制作石墨烯。这样不仅有利于材料二次利用，减少碳排放量，而且使用石墨烯制造的复合材料，轻便、坚固，同时可以促使制造行业放弃钢铁和铝等能源密集型材料。

福特汽车已经开始利用石墨烯来制造汽车零部件，这样的零部件不仅结实耐用，而且还减轻了车体的重量。

2004年，英国曼彻斯特大学 (University of Manchester） 的物理学家安德烈·盖姆（Andre Geim）教授和他的博士后助手康斯坦丁·诺洪肖洛夫（Konstantin Novoselov），用透明胶带把一块石墨片反复粘贴和撕开，最终得到了厚度只有0.335 纳米的单层碳原子结构薄片，也就是我们所说的石墨烯。两人也因此获得了2010 年的诺贝尔物理学奖。

图/从左至右依次为物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺洪肖洛夫

石墨烯这些年也被追捧过，但除了在电子设备和一些专业的运动器材，这些小众用途之外，也没有得到广泛的应用。

虽然一度被看好，但石墨烯现在就有点尴尬。因为大家一直都看好这种材料，但就是没有什么杀手级的应用。

其实根据石墨烯的这些特点，它可以有很多的应用场景。

1.石墨烯电池。像开头时候的说的，因为特殊的导电导热性，石墨烯可以做成石墨烯电池。目前石墨烯已经广泛应用于电池制造，这样可以很好地提升电池的性能。石墨烯可以让电动汽车的电池更轻，寿命更长，充电也更快。如果技术成熟，真的能做到充电5分钟，跑路10公里。

2020年，外媒报道说，德国的卡尔斯鲁厄理工学院，制作了一种石墨烯超级电池，能在15秒内充满电。这是一种混合电池组，结合了锂离子电池和超级电容电池，在协同工作下发挥各自优势。

锂电池具有很高的能量密度，这样它们可以储存大量的能量，但它们的功率密度比较低，这就意味着它们的充放电速度比较慢。所以有了超级电容器之后，就可以很好地快充快放。据说可以充放10万次不退化。

2.超导制造。还有最近就有科研团队，通过以特定角度，排列石墨烯，制造出一种超导材料（即一种让电流无电阻通过的材料）。目前商用芯片的晶体管尺寸一般约是17纳米，虽然我们用硅和镓等材料可以把晶体管做到8 纳米左右，但这已经非常接近物理极限。

未来如果需要提高晶体管的密度，我们就需要一种可以让晶体管尺寸更小的新材料。石墨烯恰好可以满足这种需求，可能成为新一代电子元件的基础性材料。

在碳化硅表面刻出凹槽，并以此作为模板，在上面形成只有八纳米宽的石墨烯纳米带，再把这个纳米带安装到晶体管中，我们就可以制造出体积更小的半导体。

2018年3月5日《自然》（Nature）杂志上的一篇论文展示了石墨烯电子超导体的前沿研究进展。

这篇由麻省理工学院21岁博士生曹原及其导师共同完成的论文介绍说，在室温下，只要通过控制石墨烯每一层之间转动的角（1.1°，又被称为 “魔力角”），就能够令其在“零阻力”下传导电子，从而表现出超导性。

3.复合材料。石墨烯可以用作制作有特殊性能的复合材料，或者制作成涂料，这种涂料，无菌环保，能用在医疗系统和生物成像诊断系统。

美国卡拉威高尔夫球公司，在2018年推出了石墨烯复合材料球芯的高尔夫球，增加了高尔夫球内部的能量压缩，能够减少球本身的旋转量。换句话说，使用了石墨烯材料的高尔夫球，其性能远优于普通高尔夫球。

图/卡拉威高尔夫球公司的石墨烯高尔夫球效果图

4.绿色水泥。石墨烯还可以用来制造绿色混凝土，来代替传统的混凝土。传统的混凝土一般是用水泥、沙子和砂石，按照一定比例，用水混合在一起。

水泥一般是用石灰石烧成的，石灰石的主要成分是碳酸钙，遇水之后，碳酸钙会变成氧化钙，并产生大量的二氧化碳。数据显示，每年全球生产的 50 亿吨水泥，贡献了全球8%的二氧化碳。所以水泥厂的碳排放量特别高。

但这个跟石墨烯有什么关系呢？关系就是通过技术，把不少于0.1%石墨烯添加到混凝土里面，混凝土的强度可以提升30%，这样就会减少混凝土的使用，从而最后减少二氧化碳的排放。

大家可能不知道，每年全球浇注的混凝土约300 亿吨。加入石墨烯之后，不仅可以提高混凝土的强度，而且还能保护钢筋不受潮。因为如果水一旦渗入混凝土的细微裂缝中，会导致钢筋生锈和膨胀，混凝土破裂，从而导致建筑物倒塌。

还有就是，实际上混凝土中添加石墨烯，还可以减少钢筋的使用，从而节省成本和生产钢筋所涉及的排放。

去年，英国曼彻斯特大学的一个团队与英国建筑公司 Nationwide Engineering 合作，就利用石墨烯，来加强新体育馆的混凝土地板，从而减少了1/3钢筋的使用，间接地减少了 CO2的排放。

对混凝土的另一个威胁是氯，氯一般存在于海水中，有很强的腐蚀性。国内常州的第六元素材料科技公司，通过研究发现，在海洋水泥里添加 0.005% 的石墨烯，将水泥对氯的抵抗力提高了40%。

所以总的来说，石墨烯未来很一部分的应用市场在绿色混凝土。因为市场体量非常庞大。

当然在这个领域，石墨烯也有一定的挑战。除了利用石墨烯，可以间接减少二氧化碳排放之外，还有一种方法可以减少碳排放。那就是，在水和水泥混合时，将产生的二氧化碳收集起来，再注入混凝土里。

这样就可以产生化学反应，将气体锁定为碳酸钙，还能让混凝土更加坚固。但是如果石墨烯足够便宜，那情况就不好说了。

其他潜在市场包括，在柏油路的沥青中添加少量石墨烯，可以延长柏油路的寿命，防止道路在高温软化，或者在寒冷的天气开裂。石墨烯还可以增加汽车轮胎的耐磨性，延长轮胎的使用寿命等等。

除了混凝土和电池之外，石墨烯的许多其他潜在用途，也可能变成大市场。

石墨烯可以延长防腐涂层的使用寿命，而且坚固耐用，不会产生废弃物，还不需要太多的维护或者频繁地更换。用完之后还可以回收再次利用。这样不仅对环境大有好处，而且也可以很好地推动“循环经济”。

所以，笔者认为石墨烯才是复合材料的未来。

石墨烯本来就存在于大自然中，但是它单层结构的剥离，却非常困难。如今，粘和撕仍然是用来制造多层石墨烯的主要工艺。

两位石墨烯的发现者，就是用透明胶布反复粘贴撕拉的方法，最终才得到了厚度只有0.335 纳米的单层碳原子结构薄片。

至于单层石墨烯，现在仍停留在实验室研发阶段，还没有大规模的商业应用案例。而我们在新闻报道中看到的“石墨烯电池”，其实用的是多层石墨烯。相对于单层石墨烯，多层石墨烯的制造成本要低很多。

这种剥离的方法简单粗暴，效率也比较低。所以很难广泛用于工业制造。所以现在的企业或者科研团队都会利用化学或者机械化的制造工艺，来提升效率。

还有就是石墨烯原材料是石墨，石墨又是一种不可再生资源。所以作为替代方案，大家一般会通过其他材料来提取。像刚才说的甲烷、或者乙醇。这种方法叫“化学气相沉积（CVD）”。

这种方法工艺成熟简单，就是把两种以上的气态原材料，导入到一个反应室里，然后通过加热或者利用催化剂，让它们产生化学反应，将碳原子沉积在基材表面，然后回收石墨烯。

“化学气相沉积”在半导体工业应用的比较广泛，像大部分的绝缘材料、金属材料，或者合金材料，用的也是这种工艺。

5月17号，英国的清洁能源公司Levidian Nanosystems与Zero Carbon Ventures达成了一项价值7亿英镑(8.55亿美元)的出口协议。Levidian将在阿联酋部署500多个LOOP清洁能源系统，生产氢气和石墨烯。

Levidian Nanosystems公司用的是自己研究的LOOP循环法。LOOP的工作原理就是，将垃圾场或者油田燃烧的甲烷脱碳之后，转化成氢气和石墨烯。

学过化学的都知道，甲烷是由一个碳原子和四个氢原子组成的分子。“循环法”就是通过微波技术，从甲烷分子中剥离出电子，并转化成等离子体。

原理就是把链接碳原子和氢原子的化学键断开，然后会产生上升的氢气和下沉的石墨烯。而且这个过程也不需要任何催化剂。

这种循环法，可以在甲烷等气体流动的过程“脱碳”。例如在工业生产过程中、废水处理厂，以及沼气反应池里，或者在油井和垃圾填埋场里，都可以用这种技术脱碳。

因为天然气的主要成分是甲烷，燃烧之后会产生二氧化碳。相反氢气燃烧之后产生的是水，不会产生任何温室气体。同时生产出来的石墨烯还可以用来制造结实耐用的符合材料。

据说Levidian Nanosystems的LOOP循环法也在测试，用在英国的天然气网络，这样可以减少40%天然气燃烧后产生的二氧化碳，而且产生的石墨烯还可以加固天然气管道。制造出来的氢气，还可以作为清洁能源来卖，这种方法对环境的影响也是最小的。可以说是一箭三雕。

还有一种方法来自美国莱斯大学的詹姆斯·图尔团队。他们之前也在不断寻找制造石墨烯的替代原料，从煤炭、石焦油、废弃食品、旧轮胎和混合塑料垃圾等等。他们还开发了一种叫“闪光法”的工艺，来制造石墨烯。

这种方法就是在一个特殊设计的反应室里面，把含碳的材料放在两个电极之间，然后用高能电脉冲，将温度迅速升到 2700°C。这样反应室里会在一秒钟内，产生闪光，所以叫“闪光法”。

这种现象是是材料分解时，释放的能量引起的。任何非碳物质都会蒸发成气体，这种气体可以被收集处理，或者被再次利用起来。剩下的是一种叫做涡层的石墨烯。

这种石墨烯是由许多相互错位的层组成。然而，这种不对称，还是一个有用的特点。因为当这种石墨烯与其他材料混合的时候，它可以更容易地分离这些层，因为层数越少，好处就越大。

世界上有很多公司跟Levidian Nanosystems一样，都在积极探索和开发使用石墨烯。除了甲烷，石墨烯还可以用一些废弃的塑料来制造，否则这些塑料就会被填埋。

大家都知道的塑料降解速度很慢，一般需要上百年。但是如果这些废塑料被再次利用起来，这对改善环境的帮助很大。

例如，全球两家最大的供应商，使用水基工艺，来制造石墨烯。其中一家是加拿大的 NanoXplore，最近将年产能提高到了 4000 吨；另外一家是中国常州的第六元素材料公司，计划将年产量扩大到1000吨。

其实不同的工艺生产的石墨烯也是不一样的，有单层和多层石墨烯之分。现在大多数的商业石墨烯都多层的。一般业内可以接受的都是10层以下的石墨烯，虽然有的产品可能层数会更多。

石墨烯的形态也有很多种，从薄膜、粉末、纳米片，再到氧化石墨烯等等。除此之外，各种石墨烯的质量也不一样，不同的制造工艺，制造的石墨烯在碳结构上也存在一定的缺陷。

当然并不是说石墨烯层数越少，越有用。这个要看它用在什么地方。每种石墨烯都有它各自的价值，所以价格取决于材料的用途。这样就导致了不同的石墨烯，价格也差得很大，从每公斤几十美元到一千美元不等。

虽然石墨烯的未来，听起来很美好，但要实现大规模商用还需要一段时间。与很多新材料一样，商业生产可能需要很多年的时间，最后才能被大众市场接受。像碳纤维材料，在上世纪50年代出现，直到30年后才被大量用于飞机、汽车等制造行业。石墨烯现在正朝着这个方向发展。

有数据显示，2019 年第一季度，全球生产的石墨烯不到 3000 吨。到今年第一季度就翻了好几倍，达到了12700多吨。

“石墨烯并不是像大家想的那样，简单地在产品上撒一点魔法粉末就行了。”总部位于英国雷德卡的应用石墨烯材料公司（Applied Graphene Materials）的CEO阿德里安·波茨提醒道。

Applied Graphene Materials公司就是利用化学气相沉积技术，用乙醇来生产石墨烯，同时也会购买石墨烯，制作复合材料。

这家公司就是利用独特的石墨烯纳米片分散体工业化生产技术，把多层的石墨烯加入到不同的物质中，最后混合到材料中。公司的产品涉及领域包括油漆和涂料，汽车保养，电池和能量存储，聚合物复合材料和润滑剂，汽车蜡和抛光等。

但是这种把石墨烯重新堆积成石墨，让石墨烯保持石墨烯的状态，并不是一种不是很好的趋势。因为这样会大大降低石墨烯的使用价值。

例如把石墨烯用在防腐处理，或者把它跟给汽车抛光养护的汽车蜡混合在一起，都不是发挥它最佳价值的使用方式。

还有人们也非常担心，石墨烯的纳米材料，会不会对人的健康产生影响。所以现在有人就在研究，石墨烯是如何进入人体的，以及会产生怎样的影响。这也是未来石墨烯是否能够得到广泛的应用和大批量的生产的关键。

当然并不是每个人都相信，石墨烯作为一种环境解决方案，已经取得了巨大的成功。例如ID TechEx北美研究总监 Richard Collins密切关注这一领域。他认同石墨烯可以作为某些脱碳过程的可行技术。但他表示，“但目前主要生产商使用的原料和工艺，让它成为一种绿色材料显得有些牵强。”

柯林斯说，一些新的生产方法，例如闪蒸工艺，可能会改变这一点。尤其是如果它们可以使用废弃食品等废料作为原料。但他警告说，这些方法还处于早期阶段，尚未大规模地被证明。

尽管如此，柯林斯补充说，“石墨烯的前辈纳米管还是有先例的。这些本质上是卷起来的石墨烯片，也可以用化学气相沉积法制成。碳纳米管的研发时间要比石墨烯长10年左右，年产量徘徊在几千吨左右。

但纳米管的需求在不断飙升，到2032年可能达到7万吨以上。究其原因，纳米管已经找到了杀手级的应用——为电动汽车使用的锂离子电池制造阴极。”

随着超级电池工厂在世界各地如雨后春笋般涌现，这已经成为一项蓬勃发展的业务。

那么随着科技的创新发展，石墨烯未来到底会不会成为复合材料的未来？让我们拭目以待。

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