石墨

圖1改性天然石墨

據(jù)媒體預(yù)計(jì)，今年隨著電動汽車的蓬勃發(fā)展，鋰離子電池需求激增，將帶動下游的石墨產(chǎn)業(yè)。盡管石墨的價(jià)格和銷量一直不見起色，但投機(jī)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(jié)構(gòu)的單質(zhì)。石墨是碳元素最穩(wěn)定的存在形式。（金剛石是碳的一種亞穩(wěn)態(tài)同素異形體，雖然它的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨，是自然界中硬度最高的物質(zhì)，但它的穩(wěn)定性卻低于石墨。）

“石墨一詞來源于希臘語“graphein，該材料耐高溫，耐腐蝕，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和穩(wěn)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(fù)極材料外，優(yōu)質(zhì)的石墨還可用于燃料電池、太陽能電池、半導(dǎo)體、發(fā)光二極管以及核反應(yīng)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(qiáng)度卻非常高。碳碳鍵像編織衣物一樣沿著聚合物基體成鍵，碳纖維強(qiáng)度強(qiáng)于鋼絲卻比鋼絲更輕。碳纖維材料常用于高爾夫球桿，自行車架，并有望取代鋁，用于汽車和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)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(diào)和制備的。

生產(chǎn)廠家曾經(jīng)一度青睞合成石墨，因?yàn)楹铣墒木恍院图兌纫獌?yōu)于天然石墨。現(xiàn)在情況卻有了轉(zhuǎn)變，現(xiàn)代化學(xué)提純方法的應(yīng)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)過提純的天然片狀石墨有更高的結(jié)晶度，表現(xiàn)出更好的導(dǎo)電性和導(dǎo)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。現(xiàn)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(yù)計(jì)的是合成石墨終將被替代，未來屬于更便宜更環(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(lán)圖。