石墨烯这种神奇的材料由于其优越的特性，有望应用于计算机、通信、医疗、工业、能源等多个行业。并有消息称，加入石墨烯技术的汽车锂电池有望将能量密度提升至目前的3倍，重量减半，续航里程可拓展至800-1000公里。这也是石墨烯为各行业，特别是汽车行业重点关注的原因。由于石墨烯材料，汽车动力锂电池的发展充满了机遇与挑战。
那究竟什么是石墨烯呢？让我们先来看一下石墨烯的定义以及历史和特性。
石墨烯Graphene的名字来源于石墨Graphite 烯类ene。它是一种平面多环芳香烃原子晶体，是碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂巢晶格平面薄膜。看到这个定义是不是已经晕了。记住一句话就行，石墨烯就是碳排列成的极薄的薄膜。薄到什么程度？它只有一个原子的厚度，也就是约0.5nm。如下图为石墨烯的结构图，可以看到石墨烯是碳原子组成的原子尺寸六角型二维平面结构。
其实科学家们在90年代中期就提出了石墨烯的存在。但是它一直是个假设性结构，因其在自然界中无法稳定单独的存在。很长时间科学研究止步于多层石墨烯组成的污泥状物质。虽然经过各种努力也只能分离得到3~10层重叠的石墨烯，而始终求单层石墨烯而不得。科学界甚至开始怀疑单层石墨烯的存在。直至2004年曼彻斯特大学的两位学者安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)成功分离出了单独石墨烯平面。并因此于2010年获得了诺贝尔物理学奖。两位学者分离单层石墨烯的方法更是神奇。它们发现使用胶带粘住石墨烯薄片的两侧后撕开，便可逐渐减薄石墨烯直至单层。有的时候就是这样，你与诺贝尔奖的距离可能只有一层胶带的厚度。下图一为前文提到的多层石墨烯组成的污泥状物质。下图二为安德烈·海姆(左)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(右)获得2010年诺贝尔物理学奖的宣传图片。两位学者因其“在二维石墨烯材料的开创性实验”而获奖。下图三为安德烈·海姆在实验中所使用的3M胶带，胶带底座上可以看到海姆的签名。
石墨烯的三大特性使其成为了万众瞩目的未来之匙，那就是最薄、最硬和最佳热/电传导特性。具体来说：
1.石墨烯是世界上最薄的材料
非常透明
最不可渗透且渗透可控
2.石墨烯是世界上最硬的材料
已知最坚硬材料，比钢铁硬300倍
可弯曲且最可伸展的晶体
3. 最佳热/电传导特性
已知热传导性能最好的材料
最高电流密度
最高本征迁移速率且具有两极性（非常适用于高速半导体设计）
下图为诺贝尔奖委员会对于石墨烯材料的宣传图片。石墨烯是世界上最薄的材料，仅有一个原子的厚度（约0.5nm）。如左部分说明石墨烯最基本的六角结构，右部分说明一平方米的石墨烯材料如果制成吊床仅重0.77mg，却可以承受4公斤以内的重物，比如图中的小黄猫。下图二为石墨烯薄膜的实物照片。
关于石墨烯的具体应用。2015年10月23日，国家主席习近平参观了曼彻斯特大学国家石墨烯研究院。在听取了曼彻斯特大学石墨烯研究情况介绍后，主席表示中英在石墨烯研究领域完全可以实现“强强联合”。相信双方交流合作将推动相关研究和开发进程，令双方受益。实际上，英国曼彻斯特大学作为最早成功分离单独石墨烯平面的科研机构，其对于石墨烯的研究有非常深的历史积淀。而中国则是石墨资源大国，也拥有大量的石墨烯研究专利。截止2012年，石墨烯相关专利达7500个，而其中来自中国的就超过38%。可见中英两国的石墨烯合作确可以被称为强强联合。另一方面英国正在推行新的“北方经济带”战略，曼彻斯特正式其中的重点城市。而这与中国提出的“一带一路”战略又非常的契合。两国的经济合作无疑可以令双方受益达到双赢。华为作为中国移动通信设备的领军公司，也于同一天宣布了与曼彻斯特大学开始为期两年的石墨烯应用研究合作项目。可以说这一举动并非巧合。无论从国家层面，还是企业追赶最新技术方面的考量，这种合作都是大势所趋。下图一为习近平主席参观曼彻斯特大学地下超净石墨烯生产实验室的照片。陪同的有英国经济大臣奥斯本（左一）和诺沃肖洛夫教授（右一）。诺沃肖洛夫教授就是当年石墨烯诺贝尔奖得主之一。有这样一位业界权威陪同，体现了英国在石墨烯方面的实力，也体现了与中国方面合作的重视程度。
为什么说华为寻求石墨烯应用研究合作是大势所趋呢？那就要说到石墨烯由于其神奇的特性有望应用于计算机、通信、医疗、工业、能源等多个行业。下面让我们一一来举些例子。
应用一，手机或穿戴设备的柔性屏幕和电路成为可能
石墨烯由于其极薄的构造和非常透光的特点，非常适合柔性屏幕和电路的制作。下图为来自三星开发的基于石墨烯电路的柔性屏幕产品。
应用二，计算机或通信设备速度有望超过300GHz，进入THz时代。
石墨烯由于其绝佳的导电性能和最高本征迁移速率且具有两极性等特点，可以用来制作更高开关速度的半导体芯片，用于计算机或通信设备的高速运算和数据传输。下图一为来自三星半导体的100mm直径石墨烯半导体晶圆。照片中还可以看到平面结构的石墨烯结构模型。下图二为概念性的石墨烯半导体示意图。石墨烯Graphene材料被置于传统半导体器件的沟道位置连接漏极（Drain）和源极（Source）。而栅端电极Gate Electrode则置于石墨烯沟道上方。石墨烯沟道被称为量子点Quantum Dot，在这种沟道中电子Electron可以以更快的速度移动。
应用三，由于石墨烯有已知最佳的导热性能，所以其用于LED照明有非常好的前景。有了石墨烯，大功率LED 灯泡的散热再也不是一个无法逾越的障碍了。下图一为英国经济大臣奥斯本（右）和诺沃肖洛夫教授（左）正在曼彻斯特大学讨论石墨烯LED灯泡。
应用四，石墨烯有助于在医学领域，加快DNA排序的过程，和降低DNA排序的成本，有望帮助老年痴呆、癌症等疾病的诊断和治疗实现突破。
应用五，也是今天介绍的重点，就是石墨烯有助于改善储能器件的性能。其中就包括可以用于汽车动力电池的锂电池、超级电容和燃料电池。这里不得不提两个令人兴奋的新闻。一则就是最近非常红火的名为“中东完了，石墨烯电池充电10分钟跑1000公里”的新闻。其中提到西班牙的Graphenano公司开发的石墨烯电池，采用了独特铜箔双面镀膜的3D涂覆技术。这种涂料被称为Graphenstone格芬石墨烯矿物涂料。这家公司开发的电池有望达到600wh/kg的能量密度，也就是目前传统电池的3倍以上。并且还有消息表示Graphenano公司还正在和两家德国汽车巨头展开合作。下图为西班牙Graphenano公司开发的石墨烯电池原型。
第二则新闻就是三星先进技术研究院Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT)完成了以硅为正极材料包裹石墨烯薄膜的钴酸锂LiCoO2锂离子电池的原型开发，实现能量密度提升1.5倍。
由以上两则新闻可以看出石墨烯材料的使用让汽车动力电池的发展充满了机遇。但是请记住机遇永远与挑战并存。目前石墨烯材料还面临着很多巨大的难题需要客服。如果要发展采用石墨烯技术的汽车动力电池，就必须冷静分辨市场的炒作信息，找准真实的机遇。并且等待足够的发展时间，才能够有望真正的实现技术革新。
挑战一，石墨烯的量产化。中国是石墨资源大国，拥有丰富的石墨储量。但是国内有非常多的企业实际上只能够生产石墨烯粉末状原料。即只能分解得到多层石墨烯，而没有真正分解得到最终实用的单层石墨烯薄膜的能力。那么单层石墨烯薄膜量产化就是一个非常大的挑战，同时对于具有薄膜生产能力的公司来说又是一个非常大的机遇。下图介绍了主流的几种单层石墨烯薄膜的制备方法以及价格质量比较。右上角为机械剥离方法Mechanical exfoliation。也就是类似于曼彻斯特大学海姆团队当年采用的3M胶带方法。多用于学术研究。其质量高但是成本也高。右侧中部为分子装配法Molecular assembly。多用于纳米微电子技术，成本同样很高。左侧下部为液相剥离法Liquid-phase exfoliation。也被称为溶剂剥离法，是通过溶剂一层层减薄石墨烯薄片得到的。 其成本低但是质量也较低，多数情况下只能减薄石墨烯却无法得到稳定的单层石墨烯材料。多用于涂层、能源存储、生物等应用。左侧中部为半导体碳化硅SiC的制备方法，在碳化硅的表层可以实现一层理想的石墨烯材料。多用于半导体芯片和射频器件的制作。而成本最低质量最好的制备方法则是化学气相淀积CVD方法，这种方法已成熟应用于半导体和镀膜等多种行业。这种制备方法得到的石墨烯可用于涂层、生物、半导体等多种应用。
挑战二，石墨烯材料并不能从本质上使汽车动力电池产生飞跃性提升。换句话说石墨烯可以改进电池性能，却无法作为电池的核心材料根本上改变电池的特性。其原因就是石墨烯材料无法单独成为电池的正极或负极材料，而是多用于与硅或者锡等其他物质组成复合材料组件电池正极或负极，从而提升电池性能。比如前面提到的三星电池原型就使用了石墨烯与硅的复合材料Gr-Si。因此其特性不仅取决于石墨烯，也取决于复合以后的特性。另一种可能是使用石墨烯材料作为导电添加剂，但是其特性又与另一种碳材料相类似。那就是碳纳米管Carbon Nanotube（CNT）。而碳纳米管早在2000年就被提出并逐渐用于电池行业。导致石墨烯材料虽能进一步改善电池性能，相应成本也大幅增加了。
综上所述，石墨烯作为一种神奇的材料拥有优异的特性。它是世界上最薄最硬的材料，成为了公认的开启未来的黑金钥匙。中英在石墨烯领域的研究合作可谓强强合作，华为加入合作也将加快其在手机、通信甚至汽车电池领域追赶三星等国际领先企业的步伐，进而掌握引领技术革新的推动力。石墨烯材料在汽车动力电池的应用充满了机遇，但是同时也不乏挑战。其对汽车动力电池性能的改善仍有待时间的检验。