神秘的微量添加劑，「石墨烯」成鋰電池提升能量密度的利器

【我們為什麼挑選這篇文章】2014 年名為 Graphenano 的西班牙石墨烯創業公司與科爾瓦多大學合作，研究全球首個石墨烯聚合材料電池，用此電池的電動車最多能行駛 1,000 公里，充電時間甚至不到 8 分鐘；2017 年，三星宣布開發出採用石墨烯技術的電池，用此石墨烯技術的手機電池容量提升了 45%，甚至在 12 分鐘內就充滿電。

石墨烯電池真的那麼厲害嗎？有哪些迷思流言是你不知道的呢？（責任編輯：賴佩萱）

作者： 顏文群

自 21 世紀以降，世人最耳熟能詳、覺得最酷炫的神奇材料──石墨烯（Graphene）毋庸置疑堪稱第一人。若要細數石墨烯其背後物理學的涵義，除非你很閒，不然強烈建議不要沒事找事做。

我們尋常人可以這樣理解石墨烯：首先，石墨就像是義美夾心酥，由一層一層的餅乾疊了幾千幾萬層疊起來；而石墨烯，就是那一層一層的餅乾。差別只在於這層餅乾的厚度，僅僅為一個原子厚，你看都看不見。

想當然爾，這世界上一定會有某些科學家把腦筋動到這個材料上，近幾年，石墨烯的應用主要在電池和複合材料領域，我們今天就只談動力電池這個應用領域，也就是用在電動車上的石墨烯電池。

你真的認識它嗎？破解石墨烯電池的三大流言

石墨烯電池到底是黑科技還是炫技？答案是炫技的成分比較高。我們來從材料特性和技術的角度，破解三個關於石墨烯電池流傳已久的環保流言。

環保流言一：石墨烯電池是 21 世紀神奇材料、新材料之王，有了它現有動力電池的問題將一次解決

讓我們親手終結這個流言吧！因為所謂的石墨烯電池，仍然是以鋰離子當作儲存和傳遞能量的媒介，因此持平來說，石墨烯電池還是鋰電池。

前篇文章《如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命？》我們有提到，目前鋰電池根據正極材料的種類，大體上可以分成三大類：鈷酸鋰（LCO）、磷酸鐵鋰（LFP）與三元材料（NMC）。那麼石墨烯是哪一類？

石墨烯並非傳統定義上的正極材料，或是說並不取代現有的正極材料， 石墨烯其實是鋰電池的微量添加劑 。要知道，沒有上述的正極材料在儲鋰位與脫鋰位之間的化學位勢變化，空有鋰離子的遷移也沒有用，能量無法有效被儲存。

重複一次：微量添加劑。

實務上，因為正極材料通常是以粉體的方式存在，因此鋰電池製造商需把正極材料固定在基材（鋁箔），此時需要加入一些「膠水」才能讓這些粉體黏在基材而不會掉下來。好死不死，加入這些「膠水」後整個正極會變得不太導電，而不太導電的電池是無法有效率儲存電能的。

因此我們通常會添加一些助導劑，用以維持整個正極的導電度。傳統而言，我們使用導電碳黑等作為助導劑，石墨烯就是拿來 PK 這些傳統的導電碳黑，奈米碳管等其實也是，所以不是什麼材料之王，不過是很重要的配角。

環保流言二：石墨烯電池充電比加油還快，10 分鐘不到就可充飽電

其實無論哪種鋰電池都可以做所謂的快充放，什麼 3 分鐘、5 分鐘、10 分鐘充電，鋰電池也不會因此爆炸或是毀滅，大家都做得到，又不是只有石墨烯電池可以，問題是效能。

因為使用不同速率充放電，鋰電池的有效容量也會跟著改變。這跟電池內部的動力學有關。用大電流充放電，電池的容量就會往下掉。一般來說，從慢充（充電 10 小時，0.1 C 充電）變成快充（充電 6 分鐘，10 C 充電），容量大概會衰減 7~8 成，變成原來的 20~30%。

這時配角的價值就出來了！根據技術報告（註一）指出，石墨烯的添加可以有效提升充放電的效能。 添加少量的石墨烯，則容量可以維持原來慢充的 70~90%，相形之下可以用的容量確實大幅提升 ！當然，要達到真正所謂的充飽（=100%），是不大可能如此理想，因為在最後的 5~10%，充電速度會異常地慢，實務上這段是恆壓充電段，一般我們稱之為涓流充電。你想的沒錯，就是涓涓細流的意思。這是目前所有電池的特性，因此無論是特斯拉還是保時捷宣稱的超快充，事實上都只會是在某一個充電區間（比如 20~60%）內才真的充得快。

環保流言三：石墨烯電池的續航力是一般鋰電池的 2~3 倍

你可能會以為 2~3 倍的意思是說例如一般鋰電池可以跑 500 公里，石墨烯電池可以跑 1,000 公里或 1,500 公里。錯了！電池容量都一樣，石墨烯不過就是微量添加劑，怎麼可能逆天呢？

上面說到， 如果大家都慢慢充，不管哪種電池，結果都是一樣的，但如果快充，添加少量的石墨烯，則容量可以維持原來慢充的 70~90%，充得比其他電池還飽 。翻成白話文的意思是，如果中間要充電，石墨烯充十分鐘走人就可以跑 100 公里，一般鋰電池充個十分鐘只能跑 30 公里，這樣說來，確實間接提升續航力的問題。

除此之外， 添加石墨烯也可以提升循環壽命，這可能跟石墨烯高熱導的散熱特性、穩定的化學性或是很強的機械性質安定了電池內部有關 。

要能稱作黑科技，沒有三兩三，怎敢上梁山？我們今天分析完之後，你就可以清楚知道三個重點：

1. 石墨烯電池不是什麼黑科技，它是微量添加劑，屬於鋰電池系統的一部分，是個配角，但是個值得拿金馬獎的配角
2. 石墨烯的使用在技術上確實可以顯著提升快充放電特性
3. 添加石墨烯，不是直接讓電池兩倍效能，而是間接解決電動車續航力的問題

（註一）參考資料 Journal of Power Sources 240（2013）66-79

（本文經合作夥伴 綠學院 授權轉載，並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題，原文標題為 〈三分鐘帶你看懂石墨烯電池是黑科技還是炫技 〉。）

參考網址：https://buzzorange.com/techorange/2020/06/16/graphene-the-key-of-lithium-battery/