現(xiàn)代人日常生活最怕啥?

答曰:手機(jī)沒電。

的確,自從手機(jī)邁入智能機(jī)時(shí)代以來,電池不耐用一直是其最大的短板。人們對手機(jī)越是依賴,對這個(gè)短板就越是深惡痛絕。

10月22日,手機(jī)廠商三星宣布他們即將推出商用化石墨烯電池。

事實(shí)上,不止三星,蘋果、華為等其他廠商近年來也都在石墨烯電池上投入巨資,以期實(shí)現(xiàn)那個(gè)傳說中“充電十分鐘,待機(jī)一整天”的神話。

那么,這個(gè)“石墨烯電池”究竟有何神奇之處,讓人們對它寄予如此厚望?

最薄、最硬也最導(dǎo)電的材料

從本質(zhì)上講,石墨烯并不神秘,它的元素成分其實(shí)就是碳。碳在我們的生活中隨處可見,但是不同的結(jié)構(gòu)差別極大。比如說生火的木炭和制作鉛筆芯的石墨主要成分都是碳,鉆石的成分其實(shí)也是碳。造鉛筆芯的石墨似乎相當(dāng)柔軟,在紙張上輕輕一按就會(huì)留下痕跡,而鉆石則異常堅(jiān)硬。

然而,如果深入物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),你會(huì)發(fā)現(xiàn)石墨其實(shí)并不“軟”,它給世人留下柔軟的印象是因?yàn)槠渲刑荚訕?gòu)成晶體的模式不是像鉆石一樣立體的互相連接,而是先在一個(gè)平面上彼此連接形成六邊形網(wǎng)格,而后再將這些平面網(wǎng)一層層疊起來。厚1毫米的石墨大約包含300萬層這種“平面網(wǎng)”,這些網(wǎng)之間的聯(lián)系非常脆弱,鉛筆輕輕在紙上一畫,就能留下幾層這種“網(wǎng)”。而如果能單獨(dú)剝離出一層這種“網(wǎng)”,就得到了所謂的石墨烯。

然而,雖然你每天用鉛筆寫字時(shí)其實(shí)都在給石墨“切片”,想要真正精確地從石墨中“撕”下一片石墨烯卻很難。2004年,英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃消洛夫終于發(fā)現(xiàn)了一種可行的方法:他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片,然后將薄片的兩面黏在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二。重復(fù)操作,薄片就越來越薄,最后,他們終于得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的石墨烯。

在對最終制得的石墨烯進(jìn)行研究后,兩位科學(xué)家被自己的這個(gè)發(fā)現(xiàn)迷住了:石墨烯厚度僅為0.34納米,相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的十五萬分之一,卻是目前世界上已知的最堅(jiān)硬的材料,甚至超過鉆石。而且它透光性好,能折疊。更妙的是:因?yàn)橹挥幸粚釉?電子的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面上,石墨烯有了全新的電學(xué)屬性。石墨烯的導(dǎo)電性是目前電子工業(yè)最常用材料硅的140倍,電阻比銅或銀更低,是室溫下導(dǎo)電最好的材料。

由于這些優(yōu)良性能,石墨烯立刻成為科學(xué)界的寵兒,被譽(yù)為“21世紀(jì)的革命性新材料”。科學(xué)界預(yù)言它將取代硅,為電子科技開創(chuàng)一個(gè)嶄新的時(shí)代。發(fā)現(xiàn)石墨烯的兩位教授憑著這一發(fā)現(xiàn)在2010年就獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),從發(fā)現(xiàn)到得獎(jiǎng)只用了不到六年時(shí)間,在近年來的物理學(xué)獎(jiǎng)記錄中相當(dāng)少見。足見該發(fā)現(xiàn)意義之重大。

看上去很美的前景

在被發(fā)現(xiàn)后,石墨烯由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電子傳輸能力以及超大的表面積等優(yōu)勢被認(rèn)為極有潛力替代石墨,成為新一代鋰離子電池負(fù)極材料。“石墨烯電池”的概念橫空出世。

石墨烯為什么能取代石墨做電池負(fù)極?原來,在傳統(tǒng)充電電池中,負(fù)極的石墨其實(shí)扮演了鋰的“儲(chǔ)藏箱”的作用——充電時(shí)鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)“嵌”入石墨層間,放電時(shí)鋰離子脫出返回正極。所以,石墨層間能存住多少鋰離子就決定了電池能存住多少電量。而鋰離子能以多快的速度在石墨層間擴(kuò)散,則制約了電池的充電時(shí)間。

與石墨相比,石墨烯電池中碳原子層的排布被人為拉開了。當(dāng)其片層間距大于0.7納米時(shí),每層石墨烯的兩面都變得可以存儲(chǔ)鋰離子。打個(gè)比方,這就好比幾排課桌,原本間距較小,每排中間只能放一排椅子,現(xiàn)在拉開了間距,椅子的容量自然加倍了。所以,理論上說,同等質(zhì)量石墨烯材料的電容量可能是石墨的兩倍。

同時(shí),由于石墨烯多為微納米尺寸,遠(yuǎn)小于石墨,這就使得鋰離子的擴(kuò)散路徑變短。而由于石墨烯的層間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墨,也為鋰離子的傳輸提供了更多的通道——還是以前面那個(gè)比喻為例,這就好比在課桌間距拉開后,辟出的通道可以讓穿梭其中的人更快地坐滿。于是,石墨烯電池相較于傳統(tǒng)充電電池的充電速度也大大加快了。近年來的研究表明,石墨烯電池的充電速度可以達(dá)到傳統(tǒng)充電電池的5倍。

目前手機(jī)電池充滿電所需時(shí)間大約在一小時(shí)左右,能保證滿負(fù)荷運(yùn)行半天左右的時(shí)間。結(jié)合上述兩個(gè)數(shù)據(jù),石墨烯電池“充電十分鐘,待機(jī)一整天”還是非常令人期待的。

不過,相比于這個(gè)豐滿的理想,眼下的現(xiàn)實(shí)還是相當(dāng)骨感的。事實(shí)上,三星公司并不是近年來第一個(gè)喊出即將推出石墨烯電池的手機(jī)廠商,美國的蘋果、中國的華為以及日本各大手機(jī)零件制造商也在拼命進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),并不時(shí)畫個(gè)大餅,吊吊公眾的胃口。但真正貨真價(jià)實(shí)的石墨烯電池仍遲遲沒有投放市場。究其原因,使用石墨烯作為導(dǎo)電劑成本比普通的石墨高多了,而任何產(chǎn)品想要商業(yè)化,成本是最關(guān)鍵的因素,不降低原材料的成本,即使石墨烯性能再好,一噸幾十萬的成本,電池廠家也用不起。

美國媒體2016年的一項(xiàng)調(diào)查估計(jì),只有把石墨烯電池價(jià)格控制在傳統(tǒng)充電電池1.5倍以下時(shí),消費(fèi)者們才會(huì)愿意為實(shí)現(xiàn)“充電十分鐘,待機(jī)一整天”而掏腰包。而目前的生產(chǎn)工藝,離這個(gè)目標(biāo)還有相當(dāng)?shù)木嚯x。眼下,即便是打著“石墨烯電池”噱頭的新款高端手機(jī),也還是本著“好鋼用在刀刃上”的原則,在一些關(guān)鍵部位使用石墨烯,以期提高其性能。離前文所述真正的“石墨烯電池”尚有相當(dāng)?shù)木嚯x。但毫無疑問,有朝一日,如果“石墨烯電池”真能突破瓶頸,實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化、商業(yè)化,恐怕將掀起一場前所未有的革命,讓眼下市面上的所有手機(jī)都瞬間過時(shí)——畢竟,天下人恐手機(jī)缺電久矣。