汽車用石墨烯電池,這件事靠譜嗎?

2021-01-13 騰訊網

是的,石墨烯電池大概率是噱頭。三年之前,石墨烯電池就曾名噪一時,但繁華落盡,一地雞毛。三年之後,石墨烯電池取得了質的突破嗎?我們希望如此,但仍需要用事實說話。

關於石墨烯,最近有兩件事情。一個圈外,一個圈內。

先說圈外的,前不久,「天才少年」曹原再以第一作者的身份在《Nature》雜誌上同時發表了兩篇文章,主要介紹石墨烯研究的新突破。

要知道,早在2018年,曹原就曾以第一作者的身份,同時發表了兩篇Nature論文。他發現,當兩層平行石墨烯以1.1°的扭轉角度交錯排列時,就會產生超導效應。這個角度也被叫做「石墨烯魔角」。

再說圈內的,上個月,廣汽新能源發布公告,基於三維結構石墨烯材料的「超級快充電池」將在今年年底開始實車量產,並由Aion系列車型率先搭載。

廣汽新能源提到了兩點:1. 對於石墨烯技術的研發,已有6年的時間,積累了豐富的技術經驗;2. 在實車測試中,「超級快充電池」僅用8分鐘就可以充電85%。

石墨烯是一個熱度很高的前沿技術,其超導願景在諸多產業皆有想像空間。「石墨烯+電池」也不是多麼新穎的組合,且背負了太多的爭議,究竟是炒作,還是確有突破,仍需要落地檢驗。

其實,廣汽新能源的說法,已經比較巧妙了。他們僅提到了「對於石墨烯技術的研發」,並未直接指出「石墨烯電池」,這在本質上是有區別的。

關於石墨烯技術的具體應用,廣汽新能源公布的信息也相當有限。僅提到「8分鐘充電85%」的模糊描述,對於電池容量、能量密度、循環壽命等數據並未做過多說明。

直接蓋棺定論,還有點早。我們期待,屆時廣汽新能源會有更多的信息公開。

最近,與電池相關的新消息有很多。

寧德時代剛剛發布了2019年業績說明會,蜂巢能源搞了一場「無鈷」電池線上發布會。據悉,特斯拉的「電池日」原定於5月第三周,暫時推遲到6月份。

目前,「電池界」的確是一個百花齊放的繁榮局面。只是,三元電池和磷酸鐵鋰電池仍是主流。CTP、刀片、無鈷等新技術的應用,使得兩大主流方向「誰主沉浮」有了更為搖擺的可能性,可以參考之前的文章《CTP、刀片、無鈷……動力電池新技術的幕後黑手是誰?》、《如何正確理解無鈷電池?》。

技術突破的本質,在很多時候,受益於材料的突破。換言之,當技術極難突破的時候,可能也說明材料的性能到頂了,需要採用更為先進的材料了。

如果三元電池和磷酸鐵鋰電池的發展臨近極限,下一階段,還有哪些電池類型可以接棒呢?具體到石墨烯電池,為什麼更多的人傾向於這是一個謊言呢?

石墨烯+電池≠石墨烯電池

「石墨烯電池」究竟該怎麼理解,在學術上並沒有嚴格的定義。

但是,電池定義一般遵循一個原則,「哪種成分起主要作用,就以哪種成分來定義」。

比如,我們最常接觸到的智慧型手機電池,正極是鈷酸鋰,負極是石墨。如果按照學術上的定義,應該叫做「鈷酸鋰-石墨電池」,或者「鈷酸鋰電池」。

當然,我們已經將鋰系電池通俗化為「鋰離子電池」,是因為索尼公司在將鈷酸鋰電池推向市場的時候,為了方便傳播,銳化鋰離子的充放電遷移過程,才稱呼為「鋰離子電池」。

之後,我們接觸到的電池,其命名規則更加專業。由於負極多數為石墨,正極卻不同,而且對性能的影響很大。

所以,一般命名以正極材料作區分,比如三元電池(主要為鎳鈷錳酸鋰電池)、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池,基本形成了動力電池領域的主流分支。

那麼,「石墨烯電池」是因為正極材料使用了石墨烯嗎?從一些反應機理結構圖來看,石墨烯只是作為導電添加劑和功能塗層,與正負極材料形成複合電極。

我們不能認為,但凡添加有石墨烯,就稱之為「石墨烯電池」。況且,石墨烯究竟起到了怎樣的作用?對於充電效率、電池容量、能量密度、循環壽命等指標有著怎樣的提高?

這些都需要用數據說話,用事實講故事。石墨烯究竟擔當何種角色,與電池如何融合,表述上需要謹慎些。

並不清白的歷史案底

對於石墨烯在電池上的應用,全世界也曾有過狂熱的期待,這裡舉兩個典型的例子。

不知道多少人還記得菲斯克汽車。在美國新能源汽車早期發展階段,菲斯克是與特斯拉齊名的一家新造車公司,但如今大相逕庭,一個被收購,一個執大旗。

2016年,菲斯克汽車的創始人亨德裡克·菲斯克決定進行「二次突破」,對外宣布將把石墨烯電池應用於Fisker EMotion電動汽車。

關於石墨烯電池的討論,一時鼎沸。然而,時隔一年後,菲斯克改口稱石墨烯電池成本不受控制,技術存在缺陷,只能被迫放棄,轉而使用LG化學的鋰離子電池。

同樣的故事情節,也發生在三星頭上。

2017年,三星決定向石墨烯電池發起挑戰,並遞交了相關專利。2018年,三星展示了一種搭載「石墨烯球」技術的電池,該技術可以使電池容量增加45%,充電速度提升5倍,並且能夠極大地延伸電池的使用壽命。

看上去,對於電池性能而言,這些數據幾乎是全方位的優化。但理想很豐滿,現實很骨感。時至今日,三星石墨烯電池也沒有落地應用的消息。

石墨烯+電池,技術難點在哪裡?

當談論電池的時候,如果不談論各種性能指標,無異於避重就輕的投機行為。

簡單搜索與「石墨烯電池」相關的消息,我們會發現,多數情況下提到的性能突破是「快速充放」。

這恰好也是石墨烯的特殊應用,在學術界,多有研究。一些學者通過控制石墨烯的氧化狀態,將其做成電極材料,利用比表面積大的特性實現快速的電化學反應,由此「快速充放」。但注意,這個時候,石墨烯形成的結構更準確來講是「超級電容」。

電容不是電池,這是兩個概念。

超級電容可以快速充放,說明其功率密度很大。然而,最為致命的一點是,超級電容的能量密度反而很低,簡單來說就是「一次充電後,儲電量太少,續航裡程太低」。

所以,如果想把石墨烯融合於電池產業,最終還是要回到鋰離子電池本身。

目前可以看到的,主要有兩個方向,一是作為導電添加劑,二是作為負極材料。

成本可以先不談,石墨烯應用本身就隱含了不少困難。

石墨烯作為導電劑,可以促進快速充放電,但對工藝本身提出了很高的要求。常溫下,石墨烯也無法做到超導,與更廉價的添加劑相比,並沒有太多優勢。

至於將石墨烯用作負極材料,理論上比石墨電極容量大,但性能很容易受到表面狀態的影響。而且,石墨烯將遇到「一生之敵」矽的挑戰,畢竟將矽作為負極材料,容量更大,而且更加唾手可及。

石墨烯絕對是潛力無窮的新技術領域,可以在很多行業大放異彩,但在動力電池領域可能舉步維艱。

寫在最後

這不是在給「石墨烯」潑冷水,行業也呼喚著電池技術的突圍。

但是,科學終究是嚴肅的。在添入營銷概念這一「活水」之前,也需要多加考究,講事實,擺證據,避免偷換概念。

石墨烯有可能開啟一個新時代,但如果濫用概念,反而容易汙名化普通人對於石墨烯技術的認知。

還是那句話,一方面保持期待,一方面理性分析。

如果石墨烯+電池確有重大突破,那實在是行業幸事。

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