在美国俄亥俄州的丹顿市有家做石墨烯起家的公司叫Global Graphene Group环球石墨烯集团，简称G³，由台湾籍的华人教授张博增创立。张博增1976年从台湾前往美国求学，后来在丹顿市的莱特州立大学担任教授多年，集中精力研究石墨烯的制造与应用。他在2002年申请了全球第一篇有关石墨烯组成、生产工艺及应用技术的专利。在这篇专利申请中，张博增清楚地阐述了单原子层及多层石墨烯的制备过程。这是全球最早的关于单层石墨烯、石墨烯增强金属基、树脂基、碳基及陶瓷基复合材料的专利。

他于2007年创立了AngstronMaterials公司，即G³公司的前身，开始寻求石墨烯的产业化生产。经过十多年的努力，将石墨烯的市场价格从最早的每克几百美元降到了每公斤几百美元，降幅超过上千倍。2016年，他的团队在厦门成立了一家合资公司——恒力盛泰石墨烯科技有限公司，开始在中国量产石墨烯。在他几十年的科研与创业历程里，他总共申请了580多项专利，被公认为全世界石墨烯创新第一人。

2016年，张博增整合了他创立和合作的几家石墨烯公司，成立了环球石墨烯集团G³公司，开始集中优势资源进行新一轮的技术创新。G³公司2017年开始瞄准锂电池的硅负极材料，利用自己的技术优势开始研发硅-石墨烯复合材料，并迅速推出两款产品：硅-石墨烯复合材料，氧化硅-石墨烯复合材料。

硅-石墨烯复合材料采用石墨烯包裹硅纳米颗粒形成微球，如下图所示。微球尺寸一般在3到15微米，其能量密度可达2000-2600 mAh/g，首次循环效率可达88%。而普通石墨负极材料的最高能量密度也只有372mAh/g，因此其各项参数都非常优秀。不过考虑到采用纯硅纳米颗粒的成本较高，他们也推出了另一款氧化硅-石墨烯复合材料。

氧化硅-石墨烯复合材料采用石墨烯包裹氧化硅纳米颗粒形成微球，如下图所示。微球尺寸一般在3到15微米，其能量密度降低到1000-1800 mAh/g，首次循环效率则降至74%。其能量密度比纯硅复合材料低是因为颗粒的硅含量有所降低，而首次循环效率低则是因为氧化硅会永久性地消耗一部分锂离子，从而使得首次循环效率大大降低。

G³公司在研发硅-石墨烯复合负极材料时一共采用了三项创新技术。首先是硅-石墨烯微球的独特设计，这个微球并非石墨烯紧密地包裹硅颗粒，而是引入了一些空隙在硅颗粒周围，这样就预留出一部分空间让硅颗粒充电变大时能够充分膨胀，但是不会挤坏它周围的石墨烯外壳。

第二项创新是硅-石墨烯微球的保护性外壳涂层，这个涂层采用高弹性的高分子材料，即使微球在充电时膨胀，高分子涂层因其良好的弹性也不会被破坏；而等到放电时微球缩小，高分子涂层能跟着一起变小。涂层的另一个作用是隔绝硅-石墨烯与电解液的接触，硅和石墨烯在充电时都会与电解液反应，所以这个涂层充当了人工电解液固体界面保护膜的作用，保持负极的能量密度不会损失太多。

第三项创新则是使用高弹性的导电高分子粘接剂。通常情况下，微球颗粒因为充放电的反复膨胀收缩，逐渐会与周围的普通粘接剂失去连接，从而形成电路断开。改用高弹性的高分子粘接剂后，高分子会弥补微球收缩时形成的空隙，从而保持与微球的紧密联系，即保持良好的导电性。

通过以上创新技术，G³公司的新型负极材料未来可将锂电池的能力密度最高提升到400kW/h，其单层电池已在实验室环境下成功测试超过800次循环，可满足动力电池的寿命要求。公司此前已在丹顿市形成一定的石墨烯产能，因此借助已有设施，可以迅速转型生产硅-石墨烯复合材料。公司目前在丹顿市的产能为25吨/年，争取在2021将产能扩大到1000吨/年，以满足飞速增长的电动车动力电池的材料需求。

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参考文献：

1.    GlobalGraphene Group公司官网www.theglobalgraphenegroup.com

2.    OnDemand Webinar- Si-Anode EV Battery Technology, https://www.theglobalgraphenegroup.com/on-demand-webinar-si-anode-ev-battery-technology/

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作者简介：

谢伟博士，清华大学材料学学士和硕士，美国德克萨斯大学（奥斯汀）化学工程博士。主要从事储能电池开发工作，先后在跨国企业及初创公司任要职，主持多项美国能源部资助研发项目，获得2013年全美年度100最佳研发技术大奖。在材料学及储能领域顶级期刊发表论文17篇，担任5家国际期刊审稿工作，拥有国际发明专利申请17项。

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