石墨
圖1改性天然石墨
據媒體預計，今年隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的蓬勃發(fā)展，鋰離子電池需求激增，將帶動(dòng)下游的石墨產(chǎn)業(yè)。盡管石墨的價(jià)格和銷(xiāo)量一直不見(jiàn)起色，但投機者依舊看好石墨需求趨緊的前景。
石墨是碳的一種同素異形體，二者緊密相關(guān)。同素異形體是指同一元素組成的不同結構的單質(zhì)。石墨是碳元素最穩定的存在形式。（金剛石是碳的一種亞穩態(tài)同素異形體，雖然它的硬度遠遠高于石墨，是自然界中硬度最高的物質(zhì)，但它的穩定性卻低于石墨。）
“石墨”一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)“graphein”，該材料耐高溫，耐腐蝕，具有良好的導電性、導熱性和穩定的化學(xué)性能，同時(shí)比鋁要輕。除了用作鋰離子電池的負極材料外，優(yōu)質(zhì)的石墨還可用于燃料電池、太陽(yáng)能電池、半導體、發(fā)光二極管以及核反應堆等不同領(lǐng)域。
碳纖維是一種由碳原子鍵合形成的微晶材料，直徑只有5-10μm，大約是人體頭發(fā)絲直徑的十分之一，但其強度卻非常高。碳碳鍵像編織衣物一樣沿著(zhù)聚合物基體成鍵，碳纖維強度強于鋼絲卻比鋼絲更輕。碳纖維材料常用于高爾夫球桿，自行車(chē)架，并有望取代鋁，用于汽車(chē)和飛機的結構架，例如波音787和空客350X中都使用了大量的碳纖維材料。
目前，石墨材料僅占全球電池需求量的5%。人們有兩種方式獲取石墨：一是天然礦石，二是煤焦油的合成。而鋰離子電池使用的石墨材料一般是由55%的合成石墨與45%低純度的天然石墨調和制備的。
生產(chǎn)廠(chǎng)家曾經(jīng)一度青睞合成石墨，因為合成石墨的均一性和純度要優(yōu)于天然石墨?，F在情況卻有了轉變，現代化學(xué)提純方法的應用使得經(jīng)熱處理可獲得99.9%純度的天然石墨，相比之下，合成石墨的純度為99%，因而前者更受歡迎。
與合成石墨相比，經(jīng)過(guò)提純的天然片狀石墨有更高的結晶度，表現出更好的導電性和導熱性。此外，天然石墨有望降低鋰離子電池的生產(chǎn)成本，同時(shí)還能獲得同等甚至更優(yōu)異的電池性能?，F在用于鋰離子電池的合成石墨的售價(jià)為每噸10，000美元，而通過(guò)天然石墨薄片加工的的球形石墨售價(jià)僅為每噸7，000美元（2015年價(jià)格），未加工處理的天然石墨還要便宜。
可以預計的是合成石墨終將被替代，未來(lái)屬于更便宜更環(huán)保的天然石墨，而以天然石墨為原料合成的石墨烯，則是科學(xué)家們?yōu)槲覀兝L制的另一番藍圖。
石墨烯
 圖2石墨烯鋰離子電池示意圖
石墨烯是碳的另一種同素異形體，是一種六角形晶格結構的平面薄膜，它僅一個(gè)碳原子層厚度，具有柔韌、透明、不透水的特點(diǎn)，比鉆石還要堅硬而且比黃金更容易導電，每個(gè)碳原子周?chē)腥齻€(gè)電子，并與最近鄰原子的電子，形成化學(xué)鍵。專(zhuān)家認為，石墨烯這種神奇的材料可用于包括電池在內的多種產(chǎn)品。
用作鋰離子電池負極材料時(shí)，石墨烯的電化學(xué)儲能性能優(yōu)于石墨，而且其充電速度比石墨快十倍，有望實(shí)現快速充電，此外，鋰離子電池的負載能力也會(huì )得到提升。
對于傳統的石墨負極，鋰離子會(huì )沉積在負極表面形成枝晶。石墨烯卻完美地解決這一問(wèn)題，使得鋰離子可以通過(guò)表面10-20nm的微小孔洞在石墨烯片間很好地存儲，同時(shí)實(shí)現快速充電和能量的最佳存儲。一旦實(shí)現應用，這樣的電池估計可以存儲10倍于普通石墨負極的能量。
石墨烯還可以摻入氧化釩中來(lái)提高正極材料的電化學(xué)性能。實(shí)驗研究表明，這種改性后的正極材料組裝的電池能夠在20秒內完成充電，而且循環(huán)1000次后容量保持率高達90%。石墨烯也被用于超級電容器、太陽(yáng)能電池的研究，希望以此提高比能量密度。圖3為掃描探針顯微鏡（SPM）下石墨烯獨特的晶格圖像。
圖3 掃描探針顯微鏡（SPM）下的石墨烯圖像
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