新材料之王

石墨烯，

它輕如鴻毛，1立方米石墨烯僅有0.77g，僅是1立方水的一百三十萬分之一；

它強似鋼鐵，其斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍；

它彈性驚人，其拉伸幅度能達到自身尺寸的20%；

它導熱導電，其導熱系數是金屬的10余倍，電子遷移率（電子移動速度）更高，電阻率更小，比導熱導電性能最好的金屬銀和銅還要好；

它幾乎透明，只吸收2.3%的光。

正因為石墨烯有這么多優良性能，學術界將石墨烯稱為“黑金”“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。

近期，中國航發北京航空材料研究院（以下簡稱中國航發航材院）石墨烯及應用研究中心燕紹九博士披露，經過5年的不懈研究，中國航發航材院石墨烯儲能材料研發團隊已成功研制出具有快速充電、長壽命、低發熱等特性的新型石墨烯鋰離子電池，該產品目前已實現了批量制備，即將走向市場應用。

俗話說，真金不怕火煉。被譽為“黑金”的石墨烯，是電池領域炙手可熱的“材料明星”。在《中國制造2025》選定的十大重點突破技術和戰略產業中，石墨烯材料是前沿新材料領域的四大重點之一。作為目前發現的厚度最薄、強度最高、導電性能最好的新型納米材料，石墨烯被稱為可改變21世紀的“神奇材料”，這一“新材料之王”也勢必會掀起電池領域的一場能源革命。

強勢登場的“材料明星”

“有一種物質，如同愛麗絲仙境一般神奇，那就是石墨烯。”

石墨烯就是從石墨材料中剝離出來，由碳原子按照特殊結構排列成的二維晶體。2004年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫首次成功地從石墨中分離出石墨烯，他們也因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

提起石墨，我們一定不會感到陌生，生活中最常用的鉛筆筆芯就是由石墨與黏土混合制成的，而石墨烯的主要來源就是石墨。換個角度來看，石墨烯只有單層原子厚度，鉛筆芯中的石墨就相當于無數層石墨烯的堆放疊加。由于石墨烯如此之薄，使用了石墨烯的材料也將在“身材”上大幅度“瘦身”，未來由石墨烯制成的手機厚度可能薄到如同銀行卡一般。

石墨烯雖然“出身”平平，卻有著超強的性能。它不僅是迄今發現的自然界最薄的材料，也是強度最高的材料，石墨烯的斷裂強度比最好的鋼材還要高出200倍。石墨烯的彈性驚人，可被大幅度地拉伸和彎曲，抗壓能力、導熱和導電性也令它在諸多材料中嶄露頭角。

此外，石墨還具有儲備量大、物美價廉的突出優勢，而我國的石墨礦儲量達到了世界總儲量的75%，這為石墨烯的生產與應用提供了豐富的來源。

即充即走將不是夢

“普通手機僅用10分鐘即可充滿。”這可不是一句廣告語，而是中國航發航材院科研人員研制出的石墨烯鋰離子電池具有的優異儲能特性的展現。檢測結果顯示，在同等條件下，此新型石墨烯鋰離子電池充電時間僅為普通鋰離子電池的十分之一，但使用壽命卻是普通鋰離子電池的5倍，并且有效抑制了發熱問題。

石墨烯鋰離子電池快速充電的原理源自鋰離子在石墨烯表面和電極之間的快速大量穿梭。事實上，鋰離子電池的充放電速度取決于鋰離子在電極中穿梭“游泳”的速度。石墨烯具備優異的電子傳導性能和獨特的二維單原子結構，可在電極間為鋰離子規劃出最優移動路徑，大幅度提升鋰離子電池的充放電速度。

據統計，通過摻入石墨烯，可使電子的運動速度達到光速的三百分之一，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這樣不僅可以帶來高效遷移，更減少了能量損耗，超強的導電性可有效改善傳統電池充電時間長、動力不足等突出問題。

“中國航發航材院能夠研發出同時具有‘快充與‘長壽命特性的新型石墨烯鋰離子電池，主要有兩方面原因。”燕紹九博士指出，“一是中國航發航材院具有自主知識產權的大批量、高性能、低成本的石墨烯粉體制備技術，為石墨烯鋰離子電池的研制生產提供了材料基礎；二是中國航發航材院采用獨特技術，把石墨烯作為關鍵電極材料應用于鋰離子電池，充分利用石墨烯優異的導電性和導熱性，使鋰離子電池內阻、工作溫升大幅降低，從而實現了快速充放電和長壽命的兼得。”

“電量焦慮”問題可大大緩解

長期以來，使用普通電池運行的電子設備，電池續航能力是個“老大難”問題。現有的快充技術普遍采用增大電壓的方式實現，為縮小體積，鋰離子電池的隔膜厚度也不斷壓縮。然而這極易導致電池過熱，帶來電池自燃爆炸的安全隱患。

如今，石墨烯將成為“超級電池”這個夢想的“圓夢人”。石墨烯鋰離子電池是在傳統鋰電池的電極材料中添加石墨烯的一種新型電池，具有充電速度更快、容量更大、壽命更長等突出優勢。在此之前，我國就成功研制出石墨烯鋰離子電池“烯王”，可經受住零下30攝氏度到80攝氏度的“嚴寒酷暑”考驗，充電效率更是普通電池的24倍。

一旦采用了石墨烯鋰離子電池驅動，未來的新能源汽車續航能力將達到500公里，可大大緩解人們心中的“電量焦慮”問題。

無限可能的未來應用

由于石墨烯材料本身的神奇特性，未來應用前景廣闊。除應用于新型電池外，石墨烯還可用于制造薄如紙片的超輕型飛機材料、堅韌的防彈衣甚至是太空電梯的繩纜。美國科學家使用石墨烯制造的調制解調器，直徑只有頭發絲的四百分之一，卻具備了高速信號傳輸能力，可實現高清電影的瞬間下載。只要把10個石墨烯制成的調制解調器放在一起，傳輸速度可達到百萬兆，將比目前的光纖網絡速度快1萬倍。

石墨烯在其他一些領域的應用也堪稱神奇。由于吸附能力強，石墨烯可用于海水淡化、污水處理等過濾裝置，并可憑借其良好的透光性用來制作特殊的透明電子材料，未來可彎曲折疊的手機屏幕很有可能就是“石墨烯造”。隨著新材料技術的快速發展，未來石墨烯可用于制成新型薄膜，在危險化學品爆燃時只需一層薄膜就可化險為夷。

（本文綜合中國科技網、搜狐科技、《中國航空報》等媒體報道）