解析石墨烯車用動力電池的續(xù)航能力怎么樣？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-31 11:55
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一種新的“黑科技”就是石墨烯技術(shù)，現(xiàn)已橫空出世。據(jù)報道，利用石墨烯聚合材料生產(chǎn)出來的汽車電池，有望達到這樣驚人的效果：只充電幾分鐘，就可以讓汽車連續(xù)開行1000公里。這種技術(shù)在西班牙、韓國等地，都接近于實現(xiàn)突破。
據(jù)法國媒體消息，西班牙Graphenano公司(一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的三倍，用這種電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。
石墨烯是世界上最薄、最硬的材料，于2004年問世，其發(fā)現(xiàn)者英國曼徹斯特大學(xué)安德烈-海姆教授于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
石墨烯電池，利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。
石墨烯電池的原理
石墨烯電池利用環(huán)境熱量自行充電的試驗。
石墨烯電池在飽和氯化銅溶液中，時間(小時、天數(shù))和產(chǎn)生電壓的關(guān)系。
實驗制成電路其中包含LED，用電線連接到帶狀石墨烯。他們只是把石墨烯放在氯化銅(copper chloride)溶液中，進行觀察。LED燈亮了。實際上，他們需要6個石墨烯電路，形成串聯(lián)，這樣就可產(chǎn)生所需的2V，使LED燈發(fā)亮，就可以得到這個圖片。
徐子涵和同事說，這里發(fā)生情況就是銅離子具有雙重正電荷，穿過溶液的速度約每秒300米，因為溶液在室溫下的熱能量。當(dāng)離子猛烈撞入石墨烯帶時，碰撞會產(chǎn)生足夠的能量，使不在原位的電子離開石墨烯。電子有兩種選擇：可以離開石墨烯帶，和銅離子結(jié)合，也可以穿過石墨烯，進入電路。
原來，流動的電子在石墨烯中更快，超過它穿過溶液的速度，所以電子自然會選擇路徑，穿過電路。正是這一點點亮了LED燈“釋放的電子更傾向于穿過石墨烯表面，而不是進入電解液。設(shè)備就是這樣產(chǎn)生電壓的，”徐子涵說。
因此，這個裝置產(chǎn)生的能量來自周圍環(huán)境的熱量。他們可以提高電流，只需加熱溶液，也可用超聲波加快銅離子。只依靠周圍熱量，就可以使他們的石墨烯電池持續(xù)運行20天。但是，還有一個重要的問號。另一個假設(shè)是某種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，就像普通的電池。
然而，徐子涵和同事說，他們排除了這一點，因為進行了幾組控制實驗。然而，這些是在一些補充材料中介紹的，他們似乎并沒有放在arXiv網(wǎng)站上。他們需要趕在別人做出嚴(yán)肅聲明之前公開。從表面價值來看，這看起來是一項非常重要的成果。其他人也在石墨烯中產(chǎn)生過電流，但只是讓水流過它，所以這并不真的使人吃驚，移動的離子也可以產(chǎn)生這樣的效果。這預(yù)示著清潔的綠色電池，只依靠環(huán)境熱量驅(qū)動。徐子涵和同事說：“這代表著一個巨大的突破，研究的是自驅(qū)動技術(shù)”。
但這僅僅是石墨烯的神奇應(yīng)用之一。據(jù)稱，石墨烯材料如果取代硅，有望讓計算機處理器的運行速度快數(shù)百倍;石墨烯有望引發(fā)觸摸屏和顯示器產(chǎn)品的革命，制造出可折疊、伸縮的顯示器件;石墨烯強度超出鋼鐵數(shù)十倍，有望被用于制造超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣等。
但這僅僅是石墨烯的神奇應(yīng)用之一。據(jù)稱，石墨烯材料如果取代硅，有望讓計算機處理器的運行速度快數(shù)百倍;石墨烯有望引發(fā)觸摸屏和顯示器產(chǎn)品的革命，制造出可折疊、伸縮的顯示器件;石墨烯強度超出鋼鐵數(shù)十倍，有望被用于制造超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣等。
石墨烯到底是什么東西?它其實是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。它是目前自然界最薄、強度最高的材料。
石墨烯電池應(yīng)用的意義
該產(chǎn)品的研發(fā)成功，徹底打開了石墨烯在消費電子鋰電池、動力鋰電池以及儲能領(lǐng)域鋰電池的應(yīng)用空間 。
電池循環(huán)壽命高達3500次左右，充電效率是普通充電產(chǎn)品的24倍。
石墨烯材料如果能成功的應(yīng)用在鋰離子電池中，可大幅度提升鋰離子電池充放電速度。
該材料具有極佳的電化學(xué)儲能特性，除了超快速充放電，它還可以循環(huán)充電5萬次以上，有望為電池行業(yè)帶來革命性變化。
石墨烯電池續(xù)航能力
衡量一款DC的續(xù)航能力到底有多強?日本“相機與影像產(chǎn)品協(xié)會CIPA”制定的數(shù)碼相機電力測試標(biāo)準(zhǔn)，測試方法是開機之后每隔30秒拍攝一張，閃光燈每隔兩張閃一次，每次拍攝前得先動一下伸縮鏡頭，液晶屏幕則保持開啟，拍到10張之后開機，然后重新來過，一直到液晶屏幕無法開啟或無法拍攝為止。如果產(chǎn)品說明上注明的是CIPA標(biāo)準(zhǔn)，這樣的數(shù)字才有參考價值。而電池實際工作時間往往會隨保存或使用的條件或環(huán)境有所改變，所以我們不要被這些數(shù)值所迷惑。
我們再來說說石墨烯用于導(dǎo)電劑的可能性，現(xiàn)在鋰電常用的導(dǎo)電劑有導(dǎo)電炭黑、乙炔黑、科琴黑，SuperP等，現(xiàn)在也有電池廠家在動力電池上開始使用碳纖維(VGCF)和碳納米管(CNT)作為導(dǎo)電劑。
石墨烯用作導(dǎo)電劑的原理是其二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu)所帶來的優(yōu)異的電子傳輸能力。從目前積累的測試數(shù)據(jù)來看，VGCF、CNT以及石墨烯在倍率性能方面都比SuperP都有一定提高，但這三者之間在電化學(xué)性能提升程度上的差異很小，石墨烯并未顯示出明顯的優(yōu)勢。
那么，添加石墨烯有可能讓電極材料性能爆發(fā)嗎？答案是否定的。以iPhone手機電池為例，其電池容量的提升主要是由于LCO工作電壓提升的結(jié)果，將上限充電電壓從4.2V提升到目前i-Phone6上的4.35V，使得LCO的容量從145mAh/g逐步提高到160-170mAh/g(高壓LCO必須經(jīng)過體相摻雜和表面包覆等改性措施)，這些提高都跟石墨烯無關(guān)。
也就是說，如果你用了截止電壓4.35V容量170mAh/g的高壓鈷酸鋰，你加多少石墨烯都不可能把鈷酸鋰的容量提高到180mAh/g，更別說動不動就提高幾倍容量的所謂“石墨烯電池”了。添加石墨烯有可能提高電池循環(huán)壽命嗎？這也是不可能的。石墨烯的比表面積比CNT更大，添加在負(fù)極只能形成更多的SEI而消耗鋰離子，所以CNT和石墨烯一般只能添加在正極用來改善倍率和低溫性能。
但是，石墨烯表面豐富的官能團就是石墨烯表面的小傷口，添加過多不僅會降低電池能量密度，而且會增加電解液吸液量，另外一方面還會增加與電解液的副反應(yīng)而影響循環(huán)性，甚至有可能帶來安全性問題。那么成本方面呢？目前石墨烯的生產(chǎn)成本極其昂貴，而市場上所謂的廉價“石墨烯”產(chǎn)品基本上都是氧化石墨烯。
即便是氧化石墨烯成本也高于CNT，而CNT的成本又比VGCF高。而且在分散性和加工性方面，VGCF比CNT和石墨烯更容易操作，這正是為什么昭和電工的VGCF正逐漸打入動力電池市場的主要原因?？梢娛┰谟米鲗?dǎo)電添加劑方面，目前跟CNT和VGCF在性價比方面并沒有優(yōu)勢可言。
當(dāng)前國內(nèi)石墨烯的火熱形勢，讓筆者聯(lián)想到了十幾年前的碳納米管(CNT)。如果對比石墨烯和CNT，我們就會發(fā)現(xiàn)這兩者有著驚人的相似之處，都具有很多幾乎完全一樣的“奇特的性能”，當(dāng)年CNT的這些“神奇的性能”現(xiàn)在是完全套用在了石墨烯身上。CNT是在上世紀(jì)末開始在國際上火熱起來的，2000-2005年之間達到高潮。CNT據(jù)說功能非常之多，在鋰電領(lǐng)域也有很多“獨特性能”。
但是二十多年過去了，至今也沒看到CNT的這些“奇特的性能”在什么領(lǐng)域有實實在在的規(guī)模化應(yīng)用。在鋰電方面，CNT也僅僅是用作正極導(dǎo)電劑這兩年在LFP動力電池里面開始了小規(guī)模的試用(性價比仍不及VGCF)，而LFP動力電池已經(jīng)注定不可能成為電動汽車主流技術(shù)路線。
相比于CNT，石墨烯在電化學(xué)性能方面與之非常相似并無任何特殊之處，反倒是生產(chǎn)成本更高，生產(chǎn)過程對環(huán)境污染更加嚴(yán)重，實際操作和加工性能更加困難。根據(jù)自己多年的鋰電研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗，筆者并不認(rèn)為石墨烯會在鋰離子電池領(lǐng)域有多少實際應(yīng)用價值，當(dāng)前所謂的“石墨烯電池”純屬炒作。對比CNT和石墨烯，筆者要說的是“歷史總是何其相似”！
