獨家揭秘三星石墨烯電池技術的前世今生！

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小烯導讀

前段時間，三星宣稱開發出一種新型電池技術。該技術可將電池容量提升45%，充電速度快5倍。報道一出，在石墨烯領域引起一陣大討論，有人認為這不能稱為石墨烯電池。那麼，三星的新技術前生今世如何，與石墨烯技術的契合點又在哪裡？下面，小編就藉助專利工具，對這項技術來個一探究竟。

前段時間，三星宣稱開發出一種新型電池技術。該技術將一種石墨烯-SiOx組裝的石墨烯球，作為塗層材料用在高容量富鎳層狀正極材料和鋰電池負極材料上，從而將電池容量提升45%，充電速度快5倍。報道一出，在石墨烯領域引起一陣大討論，有人認為這不能稱為石墨烯電池。那麼，三星的新技術前生今世如何，與石墨烯技術的契合點又在哪裡？下面，小編就藉助專利工具，對這項技術來個一探究竟。

1、是石墨烯電池還是用了石墨烯技術的電池

三星的新技術最早於去年11月27日發表於《NatureCommunications》，並同時就相關技術向美國和韓國申請了專利。文章作者為三星先進技術研究院的InHyuk Son博士團隊和韓國首爾國立大學的Jang Wook Choi教授團隊。

一般認為，石墨烯作為儲能材料的電池設備才是真正的石墨烯電池，而利用石墨烯優異的電傳導性能來改善其他種類電池電極的情況並不屬於石墨烯電池的範疇。但在媒體的渲染下，任何一個電池組件中利用了石墨烯的電池，似乎都可稱為石墨烯電池。不過，三星的這篇文章標題明確指出是用於鋰電池的石墨烯球，還是很中肯的。

該技術的創新點在於，將石墨烯覆蓋SiOx納米顆粒形成石墨烯球，然後用於修飾正極和用作負極。

石墨烯球長什麼樣子？

文章中顯示，每一個石墨烯球都由位於中心的SiOx納米顆粒和位於外層的石墨烯層組成，類似於三維爆米花狀結構。

電鏡下的爆米花石墨烯球

石墨烯球怎麼用？

兩種用法：修飾正極，和用作負極。

在正極中，採用NCM，即LiNiCoMnO材料，採用石墨烯球（GB）修飾NCM形成正極。

SEM下效果為：（左圖為修飾前，右圖為修飾後）

效果如下：

其中正極配方NCM：super P：石墨烯球：聚合粘合劑的重量百分比為97:0.5:1.0:1.5，這使得最終的電池能量密度達到800WH/L，而目前的三元電池的電池能量密度多為600~700WH/L。雖然只加入了1%wt的石墨烯球，塗覆效果還是挺不錯的。在5C測試條件下，即電池12分鐘充滿、12分鐘放完電的測試條件下，60℃（紅色）和25℃（藍色）在500次充放電後仍保持較為平穩的效果。

三星的這項技術從製備方法和成本上看，短時間內還難於直接應用於量產，但卻為石墨烯技術的應用提供了想像空間。

2、這項技術是憑空出現的嗎？

通過對研發團隊的專利進行追蹤，我們發現這一技術並非憑空出現，而是多年研究積累，水到渠成的結果。

團隊領導人In Hyuk Son（按照韓文習慣，應寫為SON IN HYUK，中文可翻譯為孫寅赫）為三星先進技術研究院（Samsung Advanced Institute of Technology，簡稱SAIT）材料研發中心能源實驗室成員，主要研究方向包括鋰離子電池、燃料電池等。

他共申請專利48項，2007年以前主要專註於燃料電池領域，後來進入鋰電池領域，自2011年起，每年都有專利申請，在2013年更是達到高峰，申請了7件專利。

這48篇專利除了大部分布局本土韓國外，其中還有23項技術布局到了美國，5項技術布局到了中國和日本，以及3項技術布局到了歐洲市場。能布局到海外的技術，通常認為是具備一定競爭力的技術，也是企業比較重視的技術。SON IN HYUK博士有近一半的技術都進行了海外布局，可見一斑。

在2011-2016年公開的鋰電池相關技術中，與三星此次技術突破相關的專利包括以下6篇：

KR20150039555A中利用硅、硅氧化物（SiOx，0

石墨烯滑動層用作夾持層，其防止所述硅顆粒的碎裂，同時仍容許鋰離子與硅的合金化反應以得到顯著的比容量，並在所述顆粒之間提供連續的導電路徑。複合物具有在硅和石墨烯之間高的粘附性，電池充電和放電時產生的體積膨脹可降低，在體積膨脹的情況下通過利用石墨烯的柔性可良好地保持夾持層，因而可改善充電/放電耐久性。

US2014255500A1中公開了製備石墨烯的方法，通過將氣體作用於金屬催化劑上，氣體包括CO2，CH4和水。通過設置合適的冷卻時間，可以製備得到石墨烯。

US20170062804A1中公開了一種包括碳基材料12，以及設置在碳基材料12上的硅結構11，且在硅結構上設置有石墨烯層11c的組合物及製作方法，並將其用於鋰電池的電極。其中，硅結構包括硅11a和硅氧化物11b（SiOx，0

US20170062804A1中公開了一種包括碳基材料12，以及設置在碳基材料12上的硅結構11，且在硅結構上設置有石墨烯層11c的組合物及製作方法，並將其用於鋰電池的電極。其中，硅結構包括硅11a和硅氧化物11b（SiOx，0

與此次三星的技術突破最相關的，是SON IN HYUK在2014年申請的專利US20150380728A1。該專利公開了：採用含碳氣源接觸SiO2以形成硅氧化物10a（SiOx，02粒徑為5-15nm。所製備得到的混合物可用於修飾鋰電池的電極，當修飾NCM電極時，其使用量為電極重量份的1%。中圖為NCM電極覆蓋硅氧化物石墨烯混合物的電鏡圖。而採用這種方法修飾電極後的效果如右圖所示，雖然比直接用NCM電極強一些，但效果改善不大。

這篇專利所採用的思路與此次報導的三星石墨烯電池的思路幾乎完全一致，新發表的文章僅在參數和製備上進行了優化，相應的效果也更加明顯和讓人驚喜。然而，這一思路早在2014年就被申請了專利，2015年底就已經公開。如果能夠對相關專利技術進行有效的追蹤和分析，我們很有可能早在兩年前就已經跟上了三星的步伐。

通過梳理SON IN HYUK的研究路線，我們不難發現這樣兩件事：

1）SON IN HYUK長期從事電極石墨烯修飾的研究，這次報道的石墨烯球技術僅僅是他研究內容的一部分，他還針對其他的修飾方法進行了研究，說不定其中就包括下一個閃亮登場的新科技。

2）通過專利的梳理可以看出研究者的大致研發思路，而且專利的申請和公開通常早於技術真正面世的時間，進行有效的專利分析，可以讓企業研發事半功倍，穩居鰲頭。

3、三星已經布局石墨烯領域

專利是意圖通過提升技術核心競爭力實現可持續發展的眾多企業的必爭之地。三星作為國際化大型高科技企業，早已在與石墨烯相關的熱門領域展開了專利布局。下面，我們通過幾項專利看看三星的新動作：

石墨烯與半導體基板：KR20170130784A公開了一種石墨烯基板，以及用其製造晶體管的方法。該專利於2016年5月申請，僅在韓國布局。

石墨烯與導體：US20170273181公開了這一種導體，以及包含該導體的電子設備，導體的兩個導電層中包括多個島，島的上、下表面均包括P型摻雜石墨烯。該項技術於2016年3月提出了專利申請，布局於韓、美兩國。

僅從以上列舉的幾項專利我們就可以看出，三星對於石墨烯的應用主要集中在用作導體和修飾電極兩個方面。這其中隱藏著三星下一代產品的黑科技或者黑科技的雛形，相關領域企業不妨對三星的專利多加關注，知己知彼，抓住先機，實現用最小的成本取得最大的競爭力。

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資料來源：石墨烯資訊，烯碳資訊編輯整理，轉載請註明出處。

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