鋰電池傳統制造強國是日本和韓國，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術先機。但發明石墨烯的英國也有很大的突破，同時在歐洲德國的石墨烯產業的發展也不容小覷。同時我們也應該意識到我國在石墨烯商業化應用上全球還是處于領先地位。認清當前形勢，才能更好的發展被寄予很多希望的石墨烯。

英國科學家發明石墨烯10年后，在電池上的應用獲得巨大突破。12月初，西方媒體報道，西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學合作研發的石墨烯電池，一次充電時間只需8分鐘，可行駛1000公里。它被石墨烯研究者稱做“超級電池”。

“我們現在還在了解情況，正在求證西班牙這種電池的具體情況，如果確認是這樣的，那確實是革命性的變化出來了?！敝袊┊a業技術戰略聯盟秘書長李義春12月24日對筆者稱。

西班牙的“超級電池”很快將像特斯拉一樣應用于汽車上，據西方媒體報道，它的擁有者12月在德國兩大汽車巨頭的汽車上進行試驗，并在2015年第一季度生產上市使用。

石墨烯充電時間接近加油

目前，全球汽車制造商使用的動力電池主要使用鋰電池，以特斯拉為代表的鎳鈷鋁酸鋰電池(鈷酸鋰電池)、以比亞迪為代表的磷酸鐵鋰電池和以日本汽車為代表的錳酸鋰電池。

這三類電池以鈷酸鋰電池能量密度最高，但它在高溫下也最不穩定;磷酸鐵鋰電池最穩定，但能量密度最低。

鋰離子電池技術已經沉寂了20年沒有大的技術革新。一位研究動力電池的專家稱，其最大的障礙在于，鋰離子電池功率密度有限，其大量能量無法快速接收或釋放。

特斯拉升級版的Roadster3.0采用了改進過的鋰電池，特斯拉沒有確認是否加入了石墨烯。不過，它的性能有大幅度的提升，恐怕只有石墨烯能做到。新改進的18650型鋰電池的容量大幅度加大，6831節電池組數量沒有增加，但電池組的總容量從53kWh提高到了70kWh。

據接受采訪的專家介紹，石墨烯的結構可以改變鋰電池技術長期沒有突破的障礙。石墨烯片材內部結構間隔擴大，以允許更多的電解質“潤濕”及鋰離子電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能。

“石墨烯的特點是導電速度快，導電性能好，目前很多研究都在實驗，具體哪一塊很難說，不過縮短充電時間等是肯定的。”李義春說。按照美國倫斯勒理工學院研究人員的預計，石墨烯陽極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽極充電或放電速度快10倍。

按照西班牙上述機構的數據，石墨烯也可能大幅度增加電池的容量?！俺夒姵亍眳碉@示，其能量密度超過600wh/kg，是目前動力鋰電池的5倍;使用壽命是目前鋰電池兩倍;其成本將比目前鋰電池降低77%。

鋰電池傳統制造強國是日本和韓國，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術先機，韓國科學家早在去年11月就宣布，最新發明的石墨烯超級手機電池，可存儲與傳統電池等量的電量，但充電時間只需16秒。

日本在電池技術上實行兩條路線并行，除了發展普通意義上的鋰電池，他們還研究燃料電池技術，用特制的石墨烯材料替代鉑作為催化劑，來制造燃料電池車所需的氫燃料，獲得突破。

據李義春介紹，目前石墨烯的研究總體上分兩塊：一是在傳統鋰電池上進行應用，目的是改進、提升鋰電池的性能，這類電池不會產生顛覆性的影響;二是依據石墨烯制造一個新體系的電池，它是一個嶄新系列的，在性能上是顛覆性的，稱作“超級電池”。

中國2015年量產石墨烯鋰電池

新能源汽車推廣長達5年，但效果并不理想。據工信部的統計數據顯示，2014年前11個月，我國新能源汽車累計生產5.67萬輛，和2015年純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產銷量力爭達到50萬輛的目標差距巨大。

市場化艱難的主要原因在于使用的便捷度上：一是續航里程較低，消費者普遍有里程焦慮;二是充電設施不完善，充電不方便影響使用。

在傳統的解決方案中，車企采用了先推廣混合動力車型緩解里程焦慮，消費者可以根據實際情況選擇用油或者用電;另一個角度，國家鼓勵大規模建設充電站和充電樁，緩解充電難。

石墨烯超級電池的出現，可能徹底改變現有的充電問題。續航里程成倍增長，長途出行的里程焦慮可能徹底打破。以西班牙的超級電池為例，1000公里的續航里程幾乎接近北京到上海的直線距離，遠超出傳統汽車一箱油的行駛距離。

石墨烯充電速度提升，可以減少充電時間，宏觀上可以大范圍減少充電站和充電樁的需求。以目前全球領先地位的特斯拉ModelS85為例，其通過大功率的超級充電站充電，也要80分鐘才能充滿，車主等充電的時間仍然是一次煎熬。

“超級電池10分鐘的充電時間，比加一次油時間長一點點，但續航里程比一箱油要長很多，消費者再也不會抱怨。”一位汽車業內人士分析稱。

目前，油電混合動力車被認為是市場上最適合由燃油車過渡到電動車的最好產品，而且這個過渡階段可能長達15-20年，但電池材料的進步可能推翻這種預判，甚至連純電動車的普及也可能不需要那么長時間。

“超級電池”一旦大規模應用到電動車上，對整個行業將是顛覆性的?！耙恍┌倌贶嚻罂赡軟]有這項技術而衰落，而一些只有十幾、二十年的車企，因為掌握新材料技術，可能成為新的巨頭。”

李義春介紹說，目前國內對石墨烯電池的研究進展順利，一些高校研發團隊和深圳的企業進行合作，研究已經進入了中試階段，“預計2015年上半年就可能實現量產，性能會有很多提升。比如可以在不增加多少成本前提下，增加鋰電池的充放電次數，提高電池安全性等。”

中國石墨烯產業技術戰略聯盟在2013年就已經向國家各部委上報了多個石墨烯研發示范基地，無錫、重慶、南京、青島、常州等紛紛建立石墨烯產業示范基地。2014年12月，國家主席習近平親赴江蘇高新技術產業研究院，調研石墨烯研發及參觀產品展示。

不過，據石墨烯電池研究人士透露，目前國內主要研究的是石墨烯運用到鋰電池上，而非全新體系的“超級電池”，所以國內技術和超級電池有一定差距。國家相關部門對此很重視，2015年出臺的“十三五”新材料規劃可能將石墨烯納入其中。

德國石墨烯行業發展狀況概覽

2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈-海姆和康斯坦丁-諾沃肖洛夫最早發現并揭示了石墨烯的獨特性質。此后，歐洲作為石墨烯的誕生地，開始提前布局這一領域。德國作為歐洲較早研究石墨烯的國家，在2009年即宣布投入巨資研究這種即將在未來改變人類生活的神奇材料。盡管取得的科研成果頗豐，但時至2015年，德國的石墨烯商業化進程仍頗為緩慢。雖然石墨烯未來可能在信息技術、能源、交通、醫療保健等領域發揮重要的作用，但距離真正走進人們的生活，相差的可能不僅僅是“一步之遙”。

背景資料：

德國石墨烯行業發展政策與規劃德國科學基金會（DFG）在2009年7月宣布開展時間跨度為6年的石墨烯新興前沿研究項目，該項目的目的是提高對石墨烯性能的理解和操控，以建立新型的石墨烯基的電子產品。2010年DFG啟動了優先研究項目——石墨烯（SPP1459），包括38個研究項目，前3年預算經費為1060萬歐元。

基金資助領域主要包括：適合石墨烯基電子設備的制備；石墨烯電子、結構、機械、振動等性能表征與操控；石墨烯納米結構制備和表征及性能操控；石墨烯與襯底材料、柵極材料相互作用的理解和控制；輸運研究（如聲子和電子傳輸、量子傳輸、彈道輸運、自旋運輸）、新型裝置示范（如場效應器件、等離子器件、單電子晶體管）以及石墨烯的理論研究（如石墨烯電子和原子結構、電子聲子運輸、自旋、石墨烯機械和振動性能、納米結構、器件模擬）等。

最新成果：

石墨烯光電探測器：

2012年10月，慕尼黑工業大學的物理學家開發出一種方法，首次將測量到的石墨烯內光電流的時間分辨率提高到皮秒范圍，這允許他們探測僅僅為幾皮秒的脈沖。

光電探測器的核心在于通過金屬接觸融入電路的自由懸浮態的石墨烯。光電流的時間動態可通過名為“共平面帶狀線”的方法測量，該方法由特殊的時間分辨激光光譜程序，即泵浦探測技術所評估。激光脈沖會激發石墨烯中的電子，而這一過程的動態會被另一束激光所監控。有了這項技術，物理學家能精確監視石墨烯中的光電流究竟如何產生。

科學家還利用新方法進一步觀察后發現，當石墨烯被光刺激時，可散發太赫茲（THz）范圍的輻射，這位于紅外光和電磁光譜中的微波輻射之間。關于太赫茲輻射的特殊之處在于，它顯示了相鄰頻率范圍的共享屬性，其可以像粒子輻射般捆綁，也滲透了電磁波的特性。這使其成為了材料試驗的理想備選，并可應用于特定的醫療領域。

納米級碳纖維導線

未來的電子元件將微小到分子級別。這些微小的元件將取代目前硅晶的地位，成為計算機處理器的核心。馬克思˙普朗克研究所正在研究的一種被稱為石墨烯的納米級碳纖維。位于柏林的弗里茨－哈勃－研究所，是馬克思˙普朗克研究所旗下的機構。該機構展示了一種納米導線，可以在分子級別的晶體管或其他元件之間傳遞電流。這種極細的導線由一條石墨烯窄帶組成。研究人員用掃描隧道顯微鏡，在不同長度和電流的強度的條件下，測量其導電系數?！巴ㄟ^實驗我們可以了解，電流在石墨烯納米帶上會產生什么效果”，研究人員解釋說。

首先，研究人員要確定，他們的納米導線是否是完美的導體，導線長度是否會影響其導電性能。為此，研究人員必須進行一種頗為棘手的實驗：他們要在不同的電壓下，觀察石墨烯帶在不同長度下的電流。因此研究人員要用一條石墨烯帶，將掃描隧道顯微鏡的尖端與一塊黃金的表面相連。

在電壓較高的情況下，石墨烯帶很容易燒毀“，馬提亞斯˙科赫（MatthiasKoch）說，此次試驗即是他博士論文的主題?！彪m然我們在試驗中掌握了一些竅門，但也要嘗試多次，才能成功將二者相連?！?br/>
測量發現，電流經過石墨烯的方式與經過銅線不同。電子在石墨烯中以量子的隧道效應方式的通過。而經典物理學認為只有量子才能以此方式通過，這對于其它物質是一重無法跨越的屏障。

需要跨越的距離越遠，到達另一端的電子就越少。”因此，納米導線的導電性與其長度相關“，科赫說。以隧道效應通過的電子，遠遠少于同等條件下使用傳統導體通過的電子。

石墨烯原子磁化狀態：

來自瑞士、德國和美國研究人員組成的研究團隊揭開了石墨烯原子與金屬基底材料之間的聯系，原來墨烯上原子的磁化狀態，被石墨烯所生長的金屬基底材料悄悄“操控”著。研究團隊認為這一發現可以應用在未來的計算裝置上。

在研究吸附于單層石墨烯上的鈷原子時，研究人員注意到其產生了面內磁化；但是，當石墨烯生長于釕基底上，鈷原子的磁化效應又搖身一變，成為面外磁化。經過多次實驗，研究人員認為，通常來說，石墨烯上原子的磁化狀態會受到所用初始金屬基底材料類型的影響。這一發現意味著磁化過程可以“私人訂制”，為基于原子自旋狀態而制備的自旋電子器件材料帶來了新可能。

更進一步，研究人員還發現碳原子與基底材料之間相互吸引力的強弱也取決于基底材料的金屬種類。比如說，如果用釕做基底，可觀察到強吸引力；但如果基底換成銥或鉑，則表現出極其微弱的吸引力。研究人員解釋說，這是因為所使用的金屬材料不同，碳原子和金屬原子之間的距離遠近也不同；反過來，這也意味著碳原子和金屬基底兩者之間的電子轉移同樣會受到影響，最終不同類型的石墨烯片層得以產生。

商業化應用：

日前，西班牙Graphenano公司與西班牙研究機構研發出全球首例石墨烯聚合材料電池。德國兩大知名汽車廠商將在近期進行這款電池的相關試驗。如果試驗順利，這種石墨烯聚合材料電池可能得到大規模推廣應用。

盡管德國于2009年就開始投入大量資金進行石墨烯方面的研究，但其產業化成果并不突出。這也說明對于石墨烯這種新興材料，目前世界各國幾乎處于同一起跑線上。誰在低成本、大規模量產上有所突破，誰就將獲得產業發展的先機。