石墨烯不仅能造电池 还有这些强大功能

上个月某车企宣布自家研发的石墨烯电池已经准备量产，宣称8分钟可充满80%，比现在的三元锂电池的充电速度提升4倍。那么石墨烯电池到底是何方神圣？为什么之前一提起“石墨烯”三个字，很多人都觉得是骗人的东西？本篇就从石墨烯电池入手，讲讲石墨烯和碳原子的特性和用途。

所谓的石墨烯，可以拆开成前后两个词：前面的石墨大家都知道，中国国粹山水画、书法都与石墨分不开，主要成为就是碳原子组成的，而后面的“烯”字才值得研究。石墨可以是无定形碳，但是“烯”字就给它加上了固定的微观结构。在化学中，烯或者烯烃泛指带有氢原子的碳链，最短的碳链只有两个碳原子，再附加上其他原子可以组成“乙烷”“乙烯”“乙炔”“乙醇”“乙醛”“乙酸”等等。从上图可以看到，乙烯在四个角上有四个氢原子，如果这四个氢原子再被乙烯取代会组成什么呢？

会组成苯，或者叫苯环，苯环上还有6个氢原子，如果这些氢原子再被苯环取代又会组成什么呢？

苯环+苯环+更多的苯环（六元环），就组成了二维平面的“石墨烯”，而石墨烯再层叠更多的石墨烯就组成了石墨。（石墨烯不一定由苯环组成，仅用苯环结构示例）说到这里，可能大家已经知道石墨烯是怎么来的了。其实石墨烯就存在与石墨中，只不过是从石墨中分离出来的只有分子厚度的一层石墨分子而已。因为石墨是由一层层石墨烯组成的，这些层与层之间是可以相对滑动的，所以石墨也具有一定的减磨作用，可作为固体润滑剂。

石墨烯在电池领域有两个重要作用，一是本身就作为电池使用，石墨烯惊人的储电能力而且不像锂电池的化学转换储能，而是直接储存电能更像是超级电容，因此充电时间快寿命长，12克石墨烯便有96452库伦的电量，而外电场做功（充电）把这些电子从正极搬到负极，但是目前在工业上没有达到量产级的工艺。

第二个作用个比较简单，就是用作锂电池的电极，也就是开头说的某车企的石墨烯电池，其实是石墨烯基锂电池。电子在石墨烯中可以快速移动，将石墨烯作为电极可以大大减少充电时间，但是储电能力和寿命与普通三元锂电池相差不大。

刚才说到石墨烯二维薄薄的一层，如果那这一层石墨烯卷起来就变成了碳纳米管。碳纳米管的强度是同体积钢的100倍，重量却只有钢的1/6到1/7，同时，碳纳米管还具有超强的拉伸性，因此碳纳米管因被称“超级纤维”，可用作架构部件，增加强度。碳纳米管与石墨烯一样，都具有超强的导电性以及较强的导热性。

把石墨烯卷起来是碳纳米管，如果裹起来就是球型，称之为富勒烯、足球烯，而富勒烯的发现者英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利获得1996年的诺贝尔化学奖。以60个碳原子组成的富勒烯成为C60，也是目前用途最广泛的富勒烯，也是我们能最直接接触到产品。

由于C60非常接近正球型，所以它可以用于润滑剂，C60作为机油添加剂可以将摩擦部件之间的滑动莫测变成滚动摩擦，大大减小发动机内部零件的摩擦系数。同时，作为物理减摩剂，它比化学减摩剂更加安全，也不会改变机油原有的化学性质。

由于富勒烯能够亲和自由基，具有抗氧化作用，因此个别商家将水溶性富勒烯分散于化妆品，制成抗衰老的护肤品。

碳原子的四个电子，通过与其他碳原子不同的组合，可以变成不同的同素异构体。钻石（金刚石）是大家最熟悉的纯碳原子组成的物质，也是自然界中最坚硬的物质。

碳的同素异构体种类繁多，再加上不同碳分子结构的导电性、储电性，碳原子成为目前材料科学研究的重点方向之一。碳链结合氢原子，可以变成汽油、柴油、机油、沥青、润滑油等等，我们平时用的动物油、植物油也都是碳链组成的；而纯碳原子组成的分子，可以从简单的石墨到石墨烯、碳纳米管、富勒烯和钻石。碳原子原来有这么多用途，是不是很惊讶！最关键的是，目前所知地球上的生命，都是碳基有机体，是碳原子给了我们宝贵的生命。