基于“電池+石墨烯”的快充技術(shù)不會(huì)停留在實(shí)驗(yàn)室

摘要

專(zhuān)家表示，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(chē)上。

近年來(lái)，純電動(dòng)汽車(chē)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(lái)的3-5年，純電動(dòng)汽車(chē)只要充電5分鐘就能充滿80%電量，大約能行駛300公里。

被稱(chēng)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(chē)電池電芯加入石墨烯后，充放電效率會(huì)有顯著的提升。專(zhuān)家表示，石墨烯在汽車(chē)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(chē)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?

純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)更大的潛力。

將電池和石墨烯結(jié)合起來(lái)，是近十年才陸續(xù)開(kāi)展相關(guān)的研究。據(jù)專(zhuān)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(mǎi)意愿成正比。一開(kāi)始，石墨烯電池就是奔著提升能量密度去研發(fā)的。不能說(shuō)沒(méi)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(zhuān)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?？萍歼M(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?！拔覀?cè)陲埖挈c(diǎn)菜，從來(lái)沒(méi)有看到過(guò)什么菜的菜名是以‘雞精’開(kāi)頭的”“同樣道理，不能因?yàn)殡姵貞?yīng)用了石墨烯材料，就稱(chēng)之為‘石墨烯電池’，更為準(zhǔn)確的說(shuō)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(guò)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(chē)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(lái)出行模式：純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)?yán)m(xù)航里程沒(méi)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(méi)必要為電池多買(mǎi)單，快充快走，使用體驗(yàn)與汽車(chē)加油沒(méi)有不同?；谶@一觀點(diǎn)，在產(chǎn)品規(guī)劃當(dāng)中，有超過(guò)500公里的超長(zhǎng)續(xù)航里程車(chē)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(chē)型，并有插電混動(dòng)車(chē)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?！备鼮殛P(guān)鍵的一點(diǎn)，隨著新技術(shù)應(yīng)用，汽車(chē)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(chē)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(wú)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(wú)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(méi)有人能給出準(zhǔn)確的時(shí)間?？梢钥隙?，電池尤其汽車(chē)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(chē)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(chē)都內(nèi)置這三類(lèi)電池，無(wú)論是新能源汽車(chē)企業(yè)的翹楚特斯拉，還是當(dāng)前新能源汽車(chē)領(lǐng)軍者的比亞迪，都在這個(gè)“局”中。

隨著新能源汽車(chē)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(lèi)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(kāi)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(lèi)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(guò)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(lái)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(zhuān)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(lái)。

?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(zhuān)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(lái)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(lái)，中國(guó)石墨烯企業(yè)爆發(fā)式增長(zhǎng)，年新增企業(yè)超過(guò)700家，但在具體應(yīng)用上，過(guò)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(zhuān)家表示，石墨烯在汽車(chē)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(chē)市場(chǎng)，同時(shí)也是最大新能源汽車(chē)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(wú)論理論還是實(shí)驗(yàn)室都是不成立的。

?未來(lái)3-5年快速充放電將實(shí)現(xiàn)突破

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走出“能量密度”的誤區(qū)之后，近年來(lái)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(chē)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(chē)百公里加速度，后者決定純電動(dòng)車(chē)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?！安荒芎?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?！?/p>

毛文峰介紹，在未來(lái)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(lái)3~5年，將充電時(shí)間能夠縮短一半?！澳壳?，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(chē)電池能夠在5分鐘充滿80%的電量?！笨梢宰鳛橹苯颖容^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(chē)，將會(huì)在2019年的量產(chǎn)車(chē)型上搭載“20分鐘充滿80%電量”的快充技術(shù)。

有人會(huì)說(shuō)，20分鐘與5分鐘沒(méi)有太大區(qū)別，不就多等15分鐘嗎?我們來(lái)設(shè)想一下：為一輛純電動(dòng)車(chē)充電，到達(dá)充電樁時(shí)發(fā)現(xiàn)前面排著兩輛車(chē)：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(kāi)車(chē)走人。另外，目前汽油車(chē)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?！盎凇姵?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(chē)上?！?/p>

當(dāng)然，這其中也存在巨大的變數(shù)。變數(shù)不僅來(lái)自技術(shù)本身，還有需要進(jìn)一步提升的可靠性和安全性，同時(shí)還受到其他因素掣肘，包括但不限于配套電池企業(yè)的生產(chǎn)水平，生產(chǎn)出來(lái)電池的一致性、快充充電樁和充電網(wǎng)絡(luò)的硬件支撐、電池管理系統(tǒng)、電池的散熱性能等。