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科普 | 為什麼你的智能手機需要石墨烯電池?



近日,華為法國官方發布一條了 Twitter,預告華為將是第一個配備石墨烯電池的手機品牌,並打算將這種電池用於華為的高端手機。這條
Twitter 還指出,這種電池除了比以前的型號充電速度更快以外(用戶可以在 45 分鐘內將電池充滿),電池還將比以前更耐用,更持久,更小。

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雷鋒網(公眾號:雷鋒網)注:雖然上圖配文為法語,但從“graphene”“batterie”等詞仍然能看出其與石墨烯電池相關

隨後,這一消息得到了外媒的進一步猜測和報導。根據華為此前的計劃,2020 年上半年的華為旗艦產品為 P 系列,因此,外媒猜測 P40 可能將會是華為首款配備石墨烯電池的手機。

不過,根據最新消息,華為高管回應這則 Twitter 的內容為假消息。

華為與石墨烯電池往事

實際上,這並不華為第一次與石墨烯“扯上關係”

在 2015 年華為 Mate8 發布前夕,網絡上該新機使用石墨烯電池的消息就不脛而走,這也使得華為 Mate8 的發布備受關注。然而,當時華為與曼切斯特大學關於石墨烯技術的合作是著眼於通信領域,而非石墨烯電池。余承東在兩個多小時的發布會上也對石墨烯電池隻字不提。最終,“Mate8 搭載石墨烯電池”的消息被認定是假新聞。

2018 年在榮耀 Note10 發布會上,榮耀總裁趙明向大家介紹了幾項“很嚇人”的技術以及兩個彩蛋,其中就包括石墨烯電池。不過,迄今為止,石墨烯電池仍未用於榮耀手機。

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雷鋒網注:上圖為石墨烯電極電池特性曲線,圖自諾基亞研究中心編寫的石墨烯在手機中的應用 PDF 文件

對於華為法國官方Twitter 透露的華為明年在石墨烯電池方面的動態,有業內人士表示,當前石墨烯電池正在致力於解決三個關鍵問題:倍率性能、能量密度和安全性,倍率性能即所說的快充。眼下,已經商用的技術主要體現在快充方面,如果華為在安全性方面取得突破性進展的話,P40 系列首發石墨烯電池完全有可能。

不過,這一 Twitter 現在已經被官方刪除。外媒 Phone Arena 認為,華為刪除 Twitter 表明這一消息“可能是假新聞(might be fake news)”。今日午間,華為手機產品線副總裁李小龍證實了這則 Twitter 為假消息。

石墨烯是什麼?

上文一直在說石墨烯和石墨烯電池,這裡我們先來了解一下石墨烯是什麼:

石墨烯(Graphene):是一種由碳原子以 sp2 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。 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,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,而證實它可以單獨存在,兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由,共同獲得2010 年諾貝爾物理學獎。

石墨烯目前是世上最薄但也是最堅硬的納米材料,它幾乎是完全透明的,只吸收2.3% 的光;導熱係數高達5300 W/m·K,高於碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s,又比納米碳管或矽晶體高,而電阻率只約10-6 Ω·cm,比銅或銀更低,為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低,電子跑的速度極快,因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。 (Via 維基百科)

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雷鋒網注:上圖為 IBM 石墨烯芯片

簡單來說,石墨烯是由碳原子組成的單層石墨,是只有一個碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜(雷鋒網按:最早的石墨烯就是用膠帶一層一層地把石墨變薄而獲得的),具有非常好的導熱性、電導性、透光性,而且具有高強度、超輕薄、超大比表面積等特性,因而被譽為“超級材料”。

憑藉著多方面的優良特性,石墨烯的用途也非常廣泛,可以被應用於鋰離子電池電極材料、薄膜晶體管、傳感器、半導體器件、複合材料製備、透明顯示觸摸屏等方面。上文所提到的“石墨烯電池”就是其主要的用途之一。

石墨烯電池的盧山真面目

近年來,網絡上關於石墨烯電池的消息多且雜,一些媒體甚至將石墨烯電池宣傳為“鋰電池的顛覆性革命”。實際上並非如此。

首先,我們要清楚一個概念,所謂石墨烯電池並非整個電池都用石墨烯材料製作,而是在電池的電極使用石墨烯材料。

另外,石墨是鋰離子電池中最常用的負極材料,充電時,Li 嵌入到石墨層間形成插層化合物,Li 完全嵌入時,每個石墨層都嵌入一層Li,對應化合物LiC6,理論比容量為372mAh/g。當每片單層石墨都以雜亂無章的方式排列,則在單層石墨的兩側表面都可以結合 Li,理論比容量提高了一倍,即 744mAh/g。

由於石墨烯的缺陷位、片層邊緣及石墨烯堆積形成的微孔結構都可以存儲 Li。也就是說,在理論上石墨烯電極可能有超過石墨兩倍的比容量。

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雷鋒網注:上圖為複合電極材料結構圖

除此之外,如果將石墨烯和 SnO2,Mn3O4,CuO 等電導率比較低的正極、負極納米材料進行複合,如 Li4Ti5O12、TiO2、LiFePO4 等,或許將提高鋰離子電池的循環性能。中科院金屬研究所曾在PNAS 發表論文,將正極材料LiFePO4 和負極材料Li4Ti5O12 分別與石墨烯複合,製備了LiFePO4-石墨烯/ Li4Ti5O12- 石墨烯為電極的具有高充放電速率的柔性鋰離子電池,石墨烯作為鋰離子及電子的通路,同時起到了導電添加劑和集流體的作用。

如果將石墨烯和炭黑混合後作為導電添加劑加入鋰電池,或許可以有效降低電池內阻,提升電池倍率充放電性能和循環壽命,而且電池的彎折對充放電性能沒有影響。而華為、高通此前通過大電流密度下充放電實現快速充電的做法電池壽命損失很大,儘管這一缺點在近年來已經改進了不少。相比之下,石墨烯電池的快速充電並不會像削減電池壽命,而且更有技術層面的美感。

雷鋒網小結

總而言之,從現今石墨烯技術的實際應用以及技術水平來看,對石墨烯的很多描述目前還僅存於理論層面,還遠遠未成熟到可以大規模商業應用的階段。

僅從石墨烯電池的角度來說,其能量密度在理論上能得到大幅提升甚至翻倍,但迄今為止,石墨烯電池在實際應用中的能量密度提升非常有限。另一方面,由於石墨烯電池中的儲能物質依舊是鋰離子,所以石墨烯電池並非像網絡流傳的那樣是對鋰電池的顛覆。

石墨烯電池雖在提升鋰電池的充放電速率和鋰電池的壽命方面具有突破性意義,但無論是各大手機廠商,還是消費者,都應該對此保持理智的態度。