诺贝尔奖获得者:石墨烯电池或是炒作,但我们要有远见

就目前石墨烯在电池领域的贡献来说,称其为石墨烯电池确实不准确。包括中国在内的科研人员正在研究石墨烯是否可以成为锂电池或所谓“超容量电池”的主要成分,所以“石墨烯电池”仍是正在研究的课题。

诺贝尔奖获得者:石墨烯电池或是炒作,但我们要有远见

政府、媒体常常混淆问题,认为石墨烯只是像纳米管一样的材料。石墨烯不止于此,它是一个用来定义全新一代材料的名词。

规模化的氧化还原生产确实会对环境造成挑战。这种方法只能用于少量石墨烯的制作,以千克计算,而不是吨。

只有未来才能告诉我们真正的石墨烯电池是否能出现,或者彻底失败。但我认为石墨烯成为所有电池的成分只是时间问题。

石墨烯的发现者、2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆一个月前刚来过中国。

2015年10月末,海姆参加中国国际石墨烯创新大会。他对青岛高度集中的石墨烯产业区印象深刻,还写下题词:“中国正引领石墨烯商业化。愿石墨烯与你们同在!”

2004年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨中剥离出了石墨烯,打破了国际物理学界长达半个世纪的结论——石墨烯只是假设性的结构,无法稳定存在。石墨烯的发现引发了材料界的一场革命,但在工业生产应用中仍有许多难题待解。

2015年11月16日,海姆接受南方周末记者专访。据他介绍,目前约有十家美国企业和十家欧洲企业在生产不同种类的石墨烯。“中国的石墨烯研究,尤其是在应用和生产领域,比世界其他国家是领先的”。

合理用量内,没有毒性

南方周末:有研究发现,石墨烯对污染物具有较强吸附力,如果进入土壤和地表水中,可能有环境风险。你如何看?

海姆:石墨烯和环境的关系确实是一个重要的问题。很多研究者也曾对石墨烯的毒性做过专门研究,在合理用量下,没有任何一项研究证明石墨烯有毒。当然,如果通过静脉高强度注射石墨烯,那必然会有损害。

南方周末:目前大部分中国企业用还原氧化法生产石墨烯,生产过程中要大量使用水和强酸,若处理不当会污染环境。可以如何改进吗?

海姆:“氧化石墨烯”是一种非常好的用于产生石墨烯的介质材料,它甚至还有很多石墨烯不具备的优良属性。用这一方式生产石墨烯确实可能污染环境,因为要用到强酸,使用大量的水。我认为应该有人发明其他物质去生产石墨烯。

这种方法只能用于少量石墨烯的制作,以千克计算,而不是吨。规模化的氧化还原生产确实会对环境造成挑战。所以,人们在生产特定种类石墨烯的时候应该学会循环利用,比如循环利用水。我说的只是特定种类,并不代表所有种类的石墨烯。

南方周末:综合考虑成本因素、环境风险和技术可行性,目前已有的几种石墨烯制备方法中,你认为哪一种更适合工业化大规模生产推广?

海姆:通过化学气相沉积法(与氧化还原法一样,是目前较为主流的制备方式之一,但无污染隐忧)生产出来的石墨烯不是以千克或者吨来计算,而是以平方米来计算,因为它只有一个原子的厚度,可以适用于导电薄膜、触摸屏等应用。这种方式更高科技,但制备技术并不成熟,在成本控制上面临很大挑战。

石墨烯有很多不同的制备方法,所以当人们谈论石墨烯和环境关系的时候,应该按不同的制备方法来评价。不同的制备方法出现的问题完全不同,而有些制备方法,虽然材料本身没有毒性,但生产过程中却产生了问题。这是生产的风险,而不是材料本身的问题。

是炒作,也是远见

南方周末:石墨烯应用在锂电池领域,一般的做法是在锂电池的正负极中添加石墨烯材料。目前有人将这种应用称为“石墨烯电池”,请问这一称呼是否准确?

海姆:就目前石墨烯在电池领域的贡献来说,称其为石墨烯电池确实不准确。包括中国在内的科研人员正在研究石墨烯是否可以成为锂电池或所谓“超容量电池”的主要成分,所以“石墨烯电池”仍是正在研究的课题。

另外一方面,人们已经将石墨烯加入目前的电池中去,但对电池性能的提高还非常有限。有些人争论是提升了2%、3%还是20%,但确实多少提高了电池的质量。虽然目前只是小小的提升,但确实是一个重要进步。

南方周末:是什么原因造成“石墨烯电池”热潮?

海姆:目前石墨烯电池也许存在炒作的嫌疑,但是为了取得一些成就,我们需要有一定的远见。而在石墨烯研究的学术界,大家就有这样的远见。

中国正在为此努力。我个人并不是从事石墨烯电池研究的,但我相信我的同行,他们知道他们正在做的事情是什么。

南方周末:石墨烯应用在锂电池中,目前有专家认为,除了成本高昂外,工艺特性也不兼容。这种技术是否有前途?

海姆:只有未来才能告诉我们真正的石墨烯电池是否能出现,或者彻底失败。但像我们正在对现有电池的尝试一样,即使只是提升20%到30%的性能,这也是一项很大的成就,也值得我们现阶段所付出的努力。我认为石墨烯成为所有电池的成分只是时间问题。

石墨烯质量良莠不齐

南方周末:近年来,在中国股市里,石墨烯概念股也受到追捧。你认为,资本的青睐对石墨烯的研究和产业发展有什么影响?

海姆:我对中国的情况不是很了解,但我知道在美国或者欧洲,有些企业并不生产严格意义上的石墨烯,而仅仅是石墨粉。

确实有一些公司履行承诺,生产的也是真正意义上的石墨烯。但既然有炒作,就有人肆无忌惮地以石墨烯的空口承诺来赚钱。在英国,我们说“有烟必有火”。所以只能建议风险投资者们,需要看清楚所投企业的基本实力,不要仅仅投资“石墨烯”这三个字,要投资它背后真正的研究成果。

南方周末:虽然受到资本青睐,但石墨烯在中国产业界目前似乎供过于求。在世界范围内,石墨烯的供求关系是怎么样的?

海姆:我并不认可供过于求的说法。如果是那些质量低下的石墨粉,也许存在供过于求的状况,但真正的问题在于有很多公司供应的石墨烯质量良莠不齐,甚至性能都不一致。而大公司需要成吨的供应量,来生产石墨烯轮胎、电池和涂料。目前,这样的供应显然是无法满足的。

另外一方面,有很多公司对外宣称供应的是石墨烯,但其实根本不是,它和你在石墨矿上看到的东西是一样的。所以这应该是一个标准化产品的供应和需求的问题。仅仅在盒子上打“石墨烯”标签是不够的,你需要鉴别什么才是真正的石墨烯。

石墨烯意义不同于纳米管

南方周末:目前众多石墨烯应用研发中,你最看好哪一项?

海姆:当前,研究将致力于石墨烯的简单应用方面:将其加入现有产品,尝试提高其性能。电池就是其中的一个例子,但可能不是最好的例子。

另一个例子是将石墨烯加入涂料里,以提高其质量。防腐涂料涂在桥上、船舶或者其他设施上,以防止生锈。也许这能使涂料更耐用,还不会增加成本。还有一个例子是将石墨烯加入轮胎,尤其是大型货车轮胎。有证据表明这能提高轮胎使用寿命,因为石墨烯能让轮胎的温度分布更均匀,这仅仅需要添加少量石墨烯。

南方周末:另一位诺奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2012年发表过一份“石墨烯路线图”,预计首个石墨烯触摸屏会在三至五年内上市,到2030年石墨烯将能替代硅。你认为这种预期是否过于乐观?

海姆:对我而言,现在预测10或20年后将发生什么有些不合时宜。我们刚刚谈论的应用产品,是即将在接下来的一些年里问世,所以这些预测是合理的。

人们需要一些诸如路线图的东西来激励自己。我是一个现实主义者,并不是一个拉拉队长,所以我尽量避免成为下一代人的预言家。

南方周末:和石墨烯一样,碳纳米管刚被科学家发现时也吸引了全世界的目光,但目前的应用情况并不如预期理想。你认为石墨烯产业化面临的最大困难是什么?

海姆:政府、媒体常常混淆一个问题,他们认为石墨烯只是一种像纳米管一样的材料,其实石墨烯不止于此。石墨烯是一个用来定义全新一代材料的名词。

这是一种全新的材料,它仅有一个原子厚度,而且具有透明性,和以往的三维材料在特性上大为不同。我们面临的情况应该和几百年前塑料被发明时类似。当塑料刚出现时,人们最开始也不知道如何利用它。后来还是有了成千上万种塑料材料,我们几乎离不开它们。我们目前也是这样的经历,这种一个原子厚度的材料,以后将会有成千上万种,不仅仅是我们所说的碳材料。

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