為什么石墨烯電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車上？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-04 09:43
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電池似乎是電動(dòng)汽車普及的一個(gè)限制因素，電動(dòng)汽車使用的電池又大又重，它們是汽車中最昂貴的部件之一，與汽油動(dòng)力、汽車相比，它們的行駛里程有限。這些電池充電需要很長(zhǎng)時(shí)間，而且速度很慢。為了解決這個(gè)問題，許多人都在尋找石墨烯電池作為解決方案。石墨烯電池可以通過許多不同的方式改進(jìn)現(xiàn)有的電池技術(shù)，比如提高電池的使用壽命和性能。
超級(jí)電容器石墨烯
超級(jí)電容器由兩層石墨烯組成，中間有一個(gè)電解質(zhì)層。這部電影很強(qiáng)大，非常的薄，并且能夠在很短的時(shí)間內(nèi)釋放大量的能量，這是至關(guān)重要的。超級(jí)電容在短時(shí)間內(nèi)提供高功率輸出，這意味著汽車的加速速度和充電時(shí)間僅需幾分鐘，而標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)汽車電池則需要幾個(gè)小時(shí)。
普通電池占據(jù)了大量的空間，而超級(jí)電容膜則可以集成到車輛的多個(gè)區(qū)域，如車身面板、車頂、地板和門。超級(jí)電容器可以為車輛提供所需的能量，同時(shí)使車輛本身更輕。
基于石墨烯的超級(jí)電容薄膜將能夠在幾分鐘內(nèi)完全充電，而不是傳統(tǒng)電池所需要的幾個(gè)小時(shí)。但是，盡管它可能比標(biāo)準(zhǔn)電池更快地充電和釋放能量，但它們目前的能量卻不那么大。這是科學(xué)家們希望通過進(jìn)一步研究改變的一個(gè)方面。“未來,希望即將開發(fā)的超級(jí)電容器存儲(chǔ)更多的能量比鋰電池,同時(shí)保留的能力釋放能量快10倍——這意味著汽車可以完全由超級(jí)電容器的車身。在一次充電之后，這輛車應(yīng)該能跑到500公里(310英里)——類似于汽油動(dòng)力車，是目前電動(dòng)汽車的兩倍多。”
因?yàn)槌?jí)電容器是由石墨烯制成的，一層碳只有一個(gè)原子厚，所以薄膜是一個(gè)更生態(tài)的選擇。此外，由于碳的來源比傳統(tǒng)電池中的鋰更容易獲得，隨著時(shí)間的推移，它可能會(huì)變得相當(dāng)經(jīng)濟(jì)，而且生產(chǎn)變得更加普遍。鋰離子電池的價(jià)格不能大幅降低，因?yàn)殇嚨膬r(jià)格仍然很高。這項(xiàng)技術(shù)并不依賴于金屬和其他有毒物質(zhì)，所以如果需要處理的話，它是環(huán)保的，石墨烯是熱能和電能的優(yōu)良導(dǎo)體。石墨烯也具有化學(xué)惰性，它的表面積很大，但仍然很靈活，而且非常輕。石墨烯通常被認(rèn)為是可持續(xù)和環(huán)保的，有許多不同的可能應(yīng)用。石墨烯電池是一種由石墨烯制成的新型電池，它是一種蜂窩狀的碳原子薄片。隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)份額的增加，新的電池技術(shù)正在被應(yīng)用，以提高其行駛里程和效率。石墨烯電池是一種可以應(yīng)用于電動(dòng)汽車的新技術(shù)。
近年來，純電動(dòng)汽車的快充技術(shù)不斷發(fā)展，“1個(gè)小時(shí)充滿80%的電量”“30分鐘充滿80%電量”“20分鐘充滿80%電量”……未來的3~5年，純電動(dòng)汽車只要充電5分鐘就能充滿80%電量，大約能行駛300公里。
被稱為“黑金”的石墨烯，在實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)近年有了突破性的進(jìn)展。汽車電池電芯加入石墨烯后，充放電效率會(huì)有顯著的提升。專家表示，石墨烯在汽車電池上應(yīng)用，填補(bǔ)了石墨烯高端應(yīng)用的空白。而這種基于“電池+石墨烯”的快充技術(shù)不會(huì)停留在實(shí)驗(yàn)室，短則三年，長(zhǎng)則五年便將走進(jìn)市場(chǎng)，搭載在新能源汽車上。
那么，石墨烯這個(gè)被譽(yù)為“能徹底改變21世紀(jì)的黑科技”是如何運(yùn)用在電池的快速充放電上？帶著這個(gè)問題，記者采訪了多家電池企業(yè)和電池專家。
文/廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者周偉力
石墨烯就像電池的調(diào)味料
純電動(dòng)汽車改變?nèi)藗兊某鲂?，而快充則會(huì)改變現(xiàn)有的純電出行模式。續(xù)航里程一直被認(rèn)為是純電動(dòng)汽車最重要的指標(biāo)之一，但這也許不再是唯一。“電池+石墨烯”將改變純電的快充時(shí)間，這也將釋放純電動(dòng)汽車更大的潛力。
將電池和石墨烯結(jié)合起來，是近十年才陸續(xù)開展相關(guān)的研究。據(jù)專家介紹，電池的諸多性能指標(biāo)當(dāng)中，能量密度排在首位，直接決定續(xù)航里程，而續(xù)航里程的長(zhǎng)短與消費(fèi)者購(gòu)買意愿成正比。一開始，石墨烯電池就是奔著提升能量密度去研發(fā)的。不能說沒有收獲，加入石墨烯之后，電池能量密度能提升5%~10%。但再往上，難以再有突破。這與研究人員最初預(yù)期20%~30%的能量密度大相徑庭。
廣汽研究院石墨烯應(yīng)用研究創(chuàng)新工作站副首席專家毛文峰博士告訴記者，石墨烯只是一種添加劑。石墨烯與電池的關(guān)系，就像是調(diào)味料與菜品原料之間的關(guān)系。炒菜時(shí)，放點(diǎn)雞精，可以提鮮，但不能放多，放多了，菜反而不好吃了。同樣道理，在提升能量密度上，起到?jīng)Q定作用的還是電池本體，而非石墨烯這個(gè)添加劑。
正因?yàn)槿绱?，毛文峰博士認(rèn)為，“石墨烯電池”的概念是不成立的。科技進(jìn)步，最忌喧賓奪主，不能因?yàn)樘砑恿四撤N添加劑，就大張旗鼓進(jìn)行注明，并廣而告之，哪怕這種添加劑有光環(huán)在身。“我們?cè)陲埖挈c(diǎn)菜，從來沒有看到過什么菜的菜名是以‘雞精’開頭的”“同樣道理，不能因?yàn)殡姵貞?yīng)用了石墨烯材料，就稱之為‘石墨烯電池’，更為準(zhǔn)確的說法是‘電池+石墨烯’”。他認(rèn)為，市場(chǎng)對(duì)石墨烯電池的追捧，已經(jīng)超過其實(shí)際的技術(shù)水平，存在一定的泡沫。
賦予純電出行新模式
新能源汽車電池快充時(shí)間的縮短，會(huì)直接改變現(xiàn)有的純電出行模式：續(xù)航里程重要，但不再是唯一。毛文峰描繪他設(shè)想中的未來出行模式：純電動(dòng)汽車綜合續(xù)航里程只有400公里，當(dāng)電量耗盡時(shí)，找到快充電樁，5分鐘就能夠充滿電。與汽油車2~3分鐘的加油時(shí)間相比，5分鐘的快充時(shí)間仍然比較長(zhǎng)，但比起目前30~60分鐘的平均快充時(shí)間，已經(jīng)快上許多。
廣汽新能源總經(jīng)理古惠南持相同觀點(diǎn)“快充模式一旦普及，純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程沒必要600公里，甚至1000公里那么多，不需要那么大電池容量和能量密度”。消費(fèi)者沒必要為電池多買單，快充快走，使用體驗(yàn)與汽車加油沒有不同?；谶@一觀點(diǎn)，在產(chǎn)品規(guī)劃當(dāng)中，有超過500公里的超長(zhǎng)續(xù)航里程車型，同時(shí)也將提供純電續(xù)航里程從300公里到500公里不等的車型，并有插電混動(dòng)車型供消費(fèi)者選擇。
除了快速充放電，由于具備良好的導(dǎo)熱性能，石墨烯能夠提升電池的散熱效果；載流子遷移率決定電導(dǎo)率，較快的載流子遷移率能提升元器件的工作速度；由于導(dǎo)電性能好，石墨烯還可以提升電池的功率密度。
廣汽新能源技術(shù)中心主任許俊海表示，“我們現(xiàn)在的電池系統(tǒng)仍然保留溫控系統(tǒng)，一定程度上增加電池重量，降低能量密度。但隨著電池散熱效果的提升，一旦去掉溫控系統(tǒng)，電池能量密度會(huì)越級(jí)到一個(gè)新高度。”更為關(guān)鍵的一點(diǎn)，隨著新技術(shù)應(yīng)用，汽車企業(yè)能夠騰出精力，關(guān)注以前關(guān)注不到的地方，尤其是電池的功能安全。許俊海口中的“新技術(shù)”就包含有石墨烯。
石墨烯的加入或能改變現(xiàn)有格局
“少即是多”，這是汽車設(shè)計(jì)與研發(fā)最高的境界。面對(duì)石墨烯這種獲得諾貝爾獎(jiǎng)的“新材料之王”，敢于做減法，需要莫大的勇氣。但扎根于石墨烯領(lǐng)域的研發(fā)人員更多的是逼于無奈。
清華大學(xué)材料學(xué)院教授朱宏偉曾在接受采訪時(shí)明言，如果石墨烯再找不到應(yīng)用，無論是資本市場(chǎng)還是基礎(chǔ)研發(fā)都會(huì)退潮。黎明前的黑暗到底還有多長(zhǎng)，沒有人能給出準(zhǔn)確的時(shí)間?？梢钥隙?，電池尤其汽車電池，是石墨烯公認(rèn)最接近于應(yīng)用的領(lǐng)域之一。
目前，在汽車電池領(lǐng)域，鋰電池仍然是霸主。而根據(jù)材料不同，還分為磷酸鐵鋰、鈦酸鐵鋰以及三元鋰電池。市面上幾乎所有新能源汽車都內(nèi)置這三類電池，無論是新能源汽車企業(yè)的翹楚特斯拉，還是當(dāng)前新能源汽車領(lǐng)軍者的比亞迪，都在這個(gè)“局”中。
隨著新能源汽車的全面提速，三種技術(shù)路線之間的淘汰賽已經(jīng)分出勝負(fù)，磷酸鐵鋰和鈦酸鐵鋰逐漸掉隊(duì)，三元鋰電池單獨(dú)領(lǐng)跑。
石墨烯的加入，盡管不能在短時(shí)間內(nèi)作為單一的品類徹底顛覆鋰電池。但作為一種添加劑和催化劑，還是能夠改變電池領(lǐng)域的現(xiàn)有格局，讓磷酸鐵鋰看到逆襲希望。公開資料顯示，國(guó)軒高科擬將“青島國(guó)軒年產(chǎn)3億Ah高比能動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”調(diào)整為“青島國(guó)軒年產(chǎn)2Gwh高比能動(dòng)力鋰電池項(xiàng)目”。產(chǎn)品類型由三元電池調(diào)整為磷酸鐵鋰電池。在近期接受投資者的調(diào)研過程中，國(guó)軒高科更表達(dá)了自己對(duì)磷酸鐵鋰電池應(yīng)用前景的看法，隨著技術(shù)不斷迭代，其認(rèn)為未來磷酸鐵鋰市場(chǎng)應(yīng)用空間依舊非常廣闊。
一位不愿透露名字電池專家表示，假如石墨烯能夠大幅縮短快充時(shí)間，隨著補(bǔ)貼滑坡，真正市場(chǎng)化以后，磷酸鐵鋰的低成本、長(zhǎng)壽命、高安全性優(yōu)勢(shì)會(huì)顯現(xiàn)出來。
或填補(bǔ)石墨烯高端應(yīng)用的空白
在石墨烯領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)和國(guó)外企業(yè)采取不同的策略。國(guó)外是先投入大量資金進(jìn)行基礎(chǔ)研發(fā)，隨后再尋求應(yīng)用。業(yè)內(nèi)公認(rèn)對(duì)于石墨烯投入研究資金的是三星，申報(bào)大量專利，不僅將石墨烯應(yīng)用在顯示屏上，而且進(jìn)行石墨烯電池的研發(fā)。國(guó)內(nèi)則是先進(jìn)行模式搭建，建立企業(yè)，再找尋下游市場(chǎng)。
來自中國(guó)經(jīng)濟(jì)信息社發(fā)布的《2016-2017中國(guó)石墨烯發(fā)展年度報(bào)告》顯示2016年以來，中國(guó)石墨烯企業(yè)爆發(fā)式增長(zhǎng)，年新增企業(yè)超過700家，但在具體應(yīng)用上，過于粗放，大材小用。石墨烯真正能夠發(fā)揮作用的應(yīng)該是能充分利用其“輕、薄、柔”等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的場(chǎng)合，或在微納芯片、光電子等核心器件里。
專家表示，石墨烯在汽車電池上應(yīng)用，填補(bǔ)了石墨烯高端應(yīng)用的空白。種種跡象表明，在“電池+石墨烯”上，中國(guó)處于世界的最前端，而廣州又走在中國(guó)的前列。這不僅因?yàn)橹袊?guó)是全球最大汽車市場(chǎng)，同時(shí)也是最大新能源汽車市場(chǎng)，市場(chǎng)和消費(fèi)需求擺在那里。
毛文峰強(qiáng)調(diào)，市面上存在許多石墨烯制作電容裝置夸張描述，比如充放電速度是鋰電池100倍~1000倍，這些都是炒作，是科學(xué)鬧劇，無論理論還是實(shí)驗(yàn)室都是不成立的。
未來3~5年 快速充放電將實(shí)現(xiàn)突破
走出“能量密度”的誤區(qū)之后，近年來石墨烯在電池實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)就陸續(xù)有了進(jìn)展。華為將石墨烯應(yīng)用在手機(jī)電池上，主要側(cè)重散熱，發(fā)揮石墨烯優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能。比亞迪使用石墨烯，用于提升汽車電池的功率密度。功率密度和能量密度是截然不同的指標(biāo)，前者決定純電動(dòng)車百公里加速度，后者決定純電動(dòng)車的續(xù)航里程。而毛文峰和他的團(tuán)隊(duì)，將主要研究方向聚焦在快速充放電上，也就是提升電池的充放電速率。“不能簡(jiǎn)單地?fù)Q算，但在實(shí)驗(yàn)室里，電池電芯加入石墨烯后，充放電效率會(huì)有顯著的提升。”
毛文峰介紹，在未來三年，電池能量密度能在現(xiàn)在基礎(chǔ)上提升20%~30%左右。充電速率則不同，未來3~5年，將充電時(shí)間能夠縮短一半。“目前，在實(shí)驗(yàn)室里，我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有收獲，純電動(dòng)汽車電池能夠在5分鐘充滿80%的電量。”可以作為直接比較的是，目前市面上的快充絕大部分是“1個(gè)小時(shí)充滿80%的電量”，廣汽新能源是“30分鐘充滿80%電量”，最快的是上汽乘用車，將會(huì)在2019年的量產(chǎn)車型上搭載“20分鐘充滿80%電量”的快充技術(shù)。
有人會(huì)說，20分鐘與5分鐘沒有太大區(qū)別，不就多等15分鐘嗎？我們來設(shè)想一下：為一輛純電動(dòng)車充電，到達(dá)充電樁時(shí)發(fā)現(xiàn)前面排著兩輛車：假如快充需要20分鐘，就需要60分鐘才能完成充電；而若快充只需5分鐘，只要15分鐘就能開車走人。另外，目前汽油車每加滿一箱油大約需要2~3分鐘，續(xù)航里程在600公里左右。5分鐘充滿80%電量，大約能行駛300公里。兩者還是有差距，但差距已經(jīng)縮小到可忍受的范圍。“基于‘電池+石墨烯’的快充技術(shù)不會(huì)停留在實(shí)驗(yàn)室，較大可能會(huì)走進(jìn)市場(chǎng)，短則三年，長(zhǎng)則五年，會(huì)搭載在廣汽集團(tuán)旗下的新能源汽車上。”
