石墨烯鋰電池：電動汽車續航里程的未來？

英國(guo)科學(xue)家發(fa)明石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)10年后，在電(dian)(dian)池上的(de)應用獲得(de)巨大突破。2014年12月初，西方媒體報道，西班牙Graphenano公司和(he)西班牙科爾瓦多(duo)大學(xue)合作研發(fa)的(de)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)電(dian)(dian)池，一(yi)次充電(dian)(dian)時間(jian)只需8分(fen)鐘，可行(xing)駛1000公里。它被(bei)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)研究(jiu)者稱做“超級電(dian)(dian)池”。

“我們(men)現在(zai)(zai)還(huan)在(zai)(zai)了(le)解情況，正在(zai)(zai)求(qiu)證(zheng)西班牙這種電池的具體情況，如果(guo)確認是這樣(yang)的，那(nei)確實是革命性的變(bian)化(hua)出來了(le)。”中國(guo)石墨烯(xi)產業技術戰略(lve)聯盟(meng)秘書(shu)長李義春對記者稱。

西班牙(ya)的“超級電池”很快將像特斯(si)拉(la)一(yi)樣應用于汽(qi)車(che)(che)上，據(ju)西方媒體報道，它的擁有(you)者(zhe)12月在德國兩大汽(qi)車(che)(che)巨頭的汽(qi)車(che)(che)上進行試驗，并在2015年第一(yi)季(ji)度生產(chan)上市使(shi)用。

石墨烯充電時間接近加油

目前，全球汽車(che)制造商(shang)使(shi)用(yong)的(de)動力電池主要使(shi)用(yong)鋰(li)電池，以特斯拉為(wei)代表(biao)的(de)鎳鈷(gu)鋁酸鋰(li)電池(鈷(gu)酸鋰(li)電池)、以比亞迪為(wei)代表(biao)的(de)磷酸鐵鋰(li)電池和(he)以日本汽車(che)為(wei)代表(biao)的(de)錳(meng)酸鋰(li)電池。

這三類電池以鈷酸鋰電池能量密度(du)最高(gao)，但它(ta)在高(gao)溫下也最不穩定；磷(lin)酸鐵鋰電池最穩定，但能量密度(du)最低。

鋰離子電池技術(shu)，已經沉寂了(le)20年沒有大的(de)(de)技術(shu)革新(xin)。一位研究(jiu)動力(li)電池的(de)(de)專家稱，其最大的(de)(de)障礙在于(yu)，鋰離子電池功率密度有限(xian)，其大量(liang)能量(liang)無法快速接收或釋放。

特斯拉(la)升級版的(de)Roadster3.0采用了(le)改進過(guo)的(de)鋰電(dian)池，特斯拉(la)沒有確認是否加入了(le)石墨烯。不過(guo)，它的(de)性(xing)能(neng)有大幅度的(de)提升，恐怕只有石墨烯能(neng)做到。新改進的(de)18650型鋰電(dian)池的(de)容(rong)量(liang)大幅度加大，6831節電(dian)池組(zu)數(shu)量(liang)沒有增加，但電(dian)池組(zu)的(de)總容(rong)量(liang)從53kWh提高到了(le)70kWh.

據(ju)接受(shou)采訪(fang)的(de)(de)專家介紹(shao)，石墨烯的(de)(de)結構(gou)可以(yi)改變鋰電(dian)(dian)池技術長期沒有突破(po)的(de)(de)障(zhang)礙(ai)。石墨烯片(pian)材內部結構(gou)間隔擴大，以(yi)允(yun)許更多的(de)(de)電(dian)(dian)解質(zhi)“潤(run)濕”及鋰離子電(dian)(dian)池中的(de)(de)鋰離子獲得高速率通(tong)道的(de)(de)性能。

“石墨(mo)烯的(de)(de)特點是導(dao)電(dian)速度(du)快，導(dao)電(dian)性能好，目前很(hen)多研究(jiu)都在實驗，具體哪一塊很(hen)難說(shuo)，不過縮短充電(dian)時間等是肯定(ding)的(de)(de)。”李義(yi)春(chun)說(shuo)。按照美(mei)國倫斯勒理工學院研究(jiu)人員的(de)(de)預計，石墨(mo)烯陽極材料比如(ru)今鋰(li)離子電(dian)池中慣用的(de)(de)石墨(mo)陽極充電(dian)或放電(dian)速度(du)快10倍。

按照西班牙(ya)上述機構(gou)的數據(ju)，石墨烯也(ye)可能(neng)大幅度增(zeng)加電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的容(rong)量(liang)(liang)。“超(chao)級電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)”參數顯示，其能(neng)量(liang)(liang)密度超(chao)過600wh/kg，是(shi)目前動力(li)鋰電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的5倍;使(shi)用(yong)壽命(ming)是(shi)目前鋰電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)兩倍;其成本將比目前鋰電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)降低(di)77%。

鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池傳統(tong)制造強國(guo)是日本和韓(han)國(guo)，在(zai)石墨(mo)烯電(dian)(dian)(dian)(dian)池上他們也正在(zai)搶奪(duo)技術先機，韓(han)國(guo)科(ke)學家早(zao)在(zai)去年11月就宣布(bu)，最新發明的(de)石墨(mo)烯超級手(shou)機電(dian)(dian)(dian)(dian)池，可(ke)存儲與傳統(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)池等量的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)量，但充電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)間只需16秒。

日本(ben)在電(dian)池(chi)(chi)技術上實行兩條(tiao)路線(xian)并(bing)行，除(chu)了(le)發(fa)展普通(tong)意義上的(de)鋰電(dian)池(chi)(chi)，他們(men)還研究燃料電(dian)池(chi)(chi)技術，用特制的(de)石墨烯材料替代(dai)鉑作為(wei)催化劑，來制造燃料電(dian)池(chi)(chi)車所需(xu)的(de)氫(qing)燃料，獲得突破。

目前石墨烯的研究總體上分兩塊：

一(yi)是在傳(chuan)統(tong)鋰電(dian)池上(shang)進行應用，目的(de)是改(gai)進、提升鋰電(dian)池的(de)性(xing)能(neng)，這類電(dian)池不會(hui)產生顛(dian)覆性(xing)的(de)影響;

二是(shi)依據石(shi)墨烯(xi)制造一(yi)個新(xin)體系的電(dian)池，它是(shi)一(yi)個嶄新(xin)系列的，在性(xing)能上是(shi)顛覆性(xing)的，稱作“超級電(dian)池”。

中國2015年量產石墨烯鋰電池

中國新能源汽(qi)車(che)推(tui)廣長達(da)(da)5年，但(dan)效果(guo)并不理(li)想。據(ju)工信部(bu)的統(tong)計(ji)數據(ju)顯示，2014年前11個月，我國新能源汽(qi)車(che)累計(ji)生產5.67萬輛，和2015年純電動汽(qi)車(che)和插電式混(hun)合(he)動力(li)汽(qi)車(che)累計(ji)產銷量力(li)爭達(da)(da)到50萬輛的目標(biao)差距(ju)巨大。

市場化艱(jian)難(nan)的(de)主(zhu)要原因，在于使用的(de)便捷度上：一是，續航(hang)里程較(jiao)低，消費者普遍有(you)里程焦(jiao)慮;二(er)是，充電設施不完善，充電不方便影響使用。

在傳統的解決方案中，車企采用了先推廣(guang)混合(he)動力車型緩解里程焦慮，消費者可以根據實(shi)際情況選擇(ze)用油或者用電(dian)(dian);另一個(ge)角度，國家(jia)鼓勵大規(gui)模建設(she)充電(dian)(dian)站和(he)充電(dian)(dian)樁，緩解充電(dian)(dian)難。

石墨烯超(chao)級電池的出(chu)現，可能徹(che)底改變現有的充電問題。續(xu)航里(li)(li)程成(cheng)倍增(zeng)長(chang)，長(chang)途出(chu)行的里(li)(li)程焦慮可能徹(che)底打破。以西班(ban)牙的超(chao)級電池為例，1000公里(li)(li)的續(xu)航里(li)(li)程幾乎接近北京到上海的直(zhi)線距(ju)(ju)離，遠超(chao)出(chu)傳(chuan)統汽車一(yi)箱油的行駛距(ju)(ju)離。

石墨烯充(chong)電速度提升，可(ke)(ke)以減少充(chong)電時間，宏觀上(shang)可(ke)(ke)以大范圍減少充(chong)電站和充(chong)電樁的需求。以目(mu)前(qian)全球領(ling)先地位的特斯拉ModelS85為例，其通過大功率的超(chao)級充(chong)電站充(chong)電，也(ye)要80分鐘(zhong)才(cai)能充(chong)滿，車主(zhu)等充(chong)電的時間仍然(ran)是一次煎熬。

“超級電池10分鐘的充電時(shi)(shi)間(jian)，比(bi)加一(yi)次油時(shi)(shi)間(jian)長(chang)一(yi)點(dian)點(dian)，但續(xu)航(hang)里(li)程比(bi)一(yi)箱(xiang)油要長(chang)很(hen)多，消費者再也不會抱怨。”一(yi)位汽車業內人士(shi)分析稱。

目前，油(you)電(dian)混合動力車(che)被認為是市場上最適合由燃(ran)油(you)車(che)過渡(du)到電(dian)動車(che)的(de)最好產品，而且這個過渡(du)階段可能(neng)長達15-20年，但電(dian)池材料的(de)進步可能(neng)推翻這種預(yu)判，甚至連純電(dian)動車(che)的(de)普及也可能(neng)不需(xu)要那么長時(shi)間。

“超級(ji)電池”一(yi)旦(dan)大規模應(ying)用到電動(dong)車上，對整個(ge)行業(ye)將是顛(dian)覆性的。“一(yi)些百年(nian)(nian)車企(qi)可能沒(mei)有(you)這項(xiang)技術(shu)(shu)而衰落，而一(yi)些只有(you)十幾、二十年(nian)(nian)的車企(qi)，因為(wei)掌(zhang)握(wo)新(xin)材料技術(shu)(shu)，可能成為(wei)新(xin)的巨頭。”

李義春介(jie)紹說(shuo)，目前(qian)(qian)國內對(dui)石(shi)墨(mo)烯(xi)電(dian)池(chi)(chi)的研究進展(zhan)順(shun)利，一些高校研發團隊和(he)深圳的企業進行合作，研究已經進入了中試階段，“預計(ji)2015年上半(ban)年就可能實現量產，性(xing)能會有很(hen)多(duo)提升。比(bi)如，可以在(zai)不增(zeng)加多(duo)少(shao)成本前(qian)(qian)提下，增(zeng)加鋰(li)電(dian)池(chi)(chi)的充放電(dian)次數，提高電(dian)池(chi)(chi)安(an)全(quan)性(xing)等。”

中國石(shi)墨烯(xi)產業(ye)技術戰略聯(lian)盟，在(zai)2013年就已(yi)經向(xiang)國家各(ge)部(bu)委上報了多個石(shi)墨烯(xi)研(yan)發示范基地，無錫、重(zhong)慶、南京(jing)、青(qing)島、常州(zhou)等紛(fen)(fen)紛(fen)(fen)建立石(shi)墨烯(xi)產業(ye)示范基地。2014年12月，國家主席習近平親(qin)赴(fu)江蘇高新技術產業(ye)研(yan)究(jiu)院，調研(yan)石(shi)墨烯(xi)研(yan)發及(ji)參觀(guan)產品(pin)展示。

不過，據石(shi)墨(mo)烯電(dian)(dian)池研(yan)究人士透露，目前國(guo)內主要研(yan)究的是石(shi)墨(mo)烯運用到鋰電(dian)(dian)池上，而(er)非全新(xin)體系的“超(chao)級(ji)電(dian)(dian)池”，所以國(guo)內技術和(he)超(chao)級(ji)電(dian)(dian)池有一定差距。國(guo)家相關部門(men)對此(ci)很重視，2015年出臺的“十三五”新(xin)材料規(gui)劃可(ke)能(neng)將(jiang)石(shi)墨(mo)烯納入其中。