近幾年來,石墨烯這種獲過諾獎的材料一直廣受社會關注,在相關媒體上也充滿了各種「石墨烯電池」等方面的新聞。
廣大群眾此時可能會好奇:石墨烯這種材料到底有多少用處,能不能依靠它來解決目前材料、電池等方面遇到的一系列技術瓶頸,幫助電動汽車、儲能、可穿戴等行業實現飛躍?
首先上一下結論:「石墨烯電池」這個技術接近於不存在,石墨烯只有在理論上能夠提高充放電速率,而對於容(能)量的提升基本沒有任何幫助(期望「石墨烯電池」可以解決手機/電動汽車續航的人要失望了),其噱頭意義遠大於實用價值。
而且石墨烯材料本身納米材料的高比表面積等性質與現在的鋰離子電池工業的技術體系是不兼容的,應用的希望十分渺茫。
在本文中,筆者將結合石墨烯的具體特性,來重點分析石墨烯相關技術,即所謂的「石墨烯電池」在鋰電池/儲能行業中的發展情況和應用前景。
定義問題:「石墨烯電池」是否存在?
此處,首先援引一篇關於石墨烯的文章,其中對於「石墨烯」電池的定義介紹如下:
「事實上,國際鋰電學術界和產業界並沒有「石墨烯電池」這個提法。維基百科裡也沒有發現「graphene battery」或者「graphene Li-ion battery」這兩個詞條的解釋。根據美國Graphene-info這個比較權威的石墨烯網站的介紹,「石墨烯電池」的定義是在電極材料中添加了石墨烯材料的電池。這個解釋顯然是誤導。
根據經典的電化學命名法,一般智慧型手機使用的鋰離子電池應該命名為「鈷酸鋰-石墨電池」。之所以稱為「鋰離子電池」,是因為SONY在1991年將鋰離子電池投放市場的時候,考慮到經典命名法太過複雜一般人記不住,並且充放電過程是通過鋰離子的遷移來實現的,體系中並不含金屬鋰,因此就稱為「Lithium ion battery」。最終「鋰離子電池」這個名稱被全世界廣泛接受,這也體現了SONY在鋰電領域的特殊貢獻。
目前,幾乎所有的商品鋰離子電池都採用石墨類負極材料,在負極性能相似的情況下,鋰離子電池的性能很大程度上取決於正極材料,所以現在鋰離子電池也有按照正極來稱呼的習慣。比如,磷酸鐵鋰電池(BYD所謂的「鐵電池」不在筆者討論範疇)、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元電池等,都是針對正極而言的。那麼以後如果負極用矽材料會不會叫做矽電池?也許可能吧。但不管怎麼樣,誰起主要作用就用誰命名。」
從此文可以看出,在電池中,以主要作用的成分(磷酸鐵鋰鋰電池)、機理(液流電池等)來命名是一般通用的規則,那麼對於「石墨烯電池」呢?
所謂的「石墨烯電池」原理圖,實際上並沒有關於該電池反應機理的有效信息。
如果查閱百度百科「石墨烯電池」,大家會發現該詞條中並沒有對於該電池的反應機理的細緻說明,其中主要的信息集中於石墨烯薄膜、石墨烯快充放電容器、以及2014年西班牙Graphenano的那條「電池成本下降77%,續航裡程擴展至1000公裡」的新聞。
但是非常遺憾的是,這些新聞都僅限於一些皮毛的報導,連電池的結構和反應機理示意圖都沒有,也缺乏具體的能量密度、電壓、循環壽命等具體的技術參數。而對於電池工業來說,沒有這些信息,報導出來的新聞缺乏最基本的可信度,虛假誇大宣傳的可能性極大。近一年過去了,業界的進展情況也可以作為此類新聞「不靠譜」的佐證。