在大力发展动力锂电池的如今,我们离石墨烯电池还有多远?

2020-09-02 15:41 ryder

在大力发展动力锂电池的如今,我们离石墨烯电池还有多远?

 

 

 

从 1884 年第一辆量产化的电动汽车开始,人们就一直为提高电池容量做不懈努力,但从科技树时间线来看,电池技术一直比其他技术的发展更慢。在智能手机出现之后,电池续航时间的不足对使用手机的影响愈发明显,一块充电宝,成了所有手机用户身上的累赘。

为了保障用户的正常使用体验,电池厂商也一直改良锂电池的制作工艺,但电池材料改良的速度远低于其他元件功耗上升的速度。手机厚度/性能/续航成了不可解决的三元悖论,得到其中两项就必须舍弃一项。

提升锂电池能量密度的利器

好在石墨烯材料横空出世,2004 年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中用胶带从石墨中分离出石墨烯,证实了这种万能材料的存在。他们二人也因此获得了 2010 年诺贝尔物理学奖,可见石墨烯对世界的重要性。

狭义上来说,石墨烯是碳原子以 sp2 杂化轨道呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体,广义上来说,10 层以内的石墨结构也可称作石墨烯。这种材料是目前已知的世界上最薄的材料,单层厚度仅有 0.34nm。

它不仅是世界上最坚硬、导热系数最高的材料,也世界上电阻最小的材料,它在常温下电子迁移率超过 15000 cm2/V·s ,是理想的电池材料。

目前石墨烯电池技术有两个大方向,一个是作为阳极镶嵌锂离子,另一种是作为导电剂存在。作为电极材料可以算是传统锂电池的改良版。传统锂电池一直采用多层石墨作为镶嵌结构。如果将石墨分成单层结构(石墨烯),石墨烯作为阳极的锂电池的理论容量将是传统锂电池容量的两倍以上(>744 mAh·g -1)。

 

 

对于手机电池来说,这样的电池近乎是梦幻般的存在。试想一下,如果你的手机可以三天一充,手机功能将会发生怎样的变化。

电池快充技术的究极方案

石墨烯对锂电池的重要性还不仅如此,石墨烯作为目前导热率最高的材料,如果使用石墨烯对锂电池进行散热,锂电池的快充速度能再次提升一个台阶。之前在 2015 年的第 56 届日本电池大会上,华为就拿出了使用石墨烯为锂电池散热的技术,展示了 5 分钟即可充满 3000mAh 电池 48% 电量的快充技术成果。

 

 

▲华为石墨烯电池技术 图片来自:华为官网

如果将石墨烯散热与石墨烯作为电池正极的技术相结合,锂电池的容量和充电速度将同时获得提升。

2017 年,三星就宣布开发出了采用石墨烯技术的电池。在三星的演示中,这块采用石墨烯技术的手机电池容量提升了 45%,同时还可以做到 12 分钟内充满电,强大的电池性能,让人看到了石墨烯电池在电子产品上的潜力。

电动车续航体验的拯救者

期待石墨烯电池的不仅是手机厂商,还有被续航里程困扰的新能源车企,即使是采用三元锂电池的特斯拉,也无法做到与燃油车媲美的使用体验,但石墨烯可以改变这种尴尬的局面。2014 年一家名为 Graphenano 的西班牙石墨烯创业公司与科尔瓦多大学合作研究出全球首个石墨烯聚合材料电池,用此电池提供电力的电动车最多能行驶 1000 公里,而其充电时间不到 8 分钟,可见石墨烯对电池容量和充电速度提升有多大。

 

 

如果未来电动车都使用 10 分钟就能充满电的石墨烯电池,电动车续航难题将不复存在,快充电站将代替加油站。如果车主下车上个厕所就能充满电,那么电动车将和燃油车一样方便。

仍在产业化路上的技术

不管从哪方面来看,石墨烯为都是锂电池突破的关键所在。但石墨烯作为一种新型的材料,还是太年轻了些。每当人类发现一种新材料,总要按照原理研究—实验室生产—规模化生产—产品这一流程进行。

材料学不同于其他学科,从原理到产品都有漫长实验周期。从目前石墨烯的制造和应用程度来看,石墨烯还处于早期阶段,虽然 2018 年全球石墨烯市场规模已经 2.73 亿美元,年均增速也保持在 40% 的高速增长上,但大部分生产石墨烯的企业都没有掌握大规模量产石墨烯的技术,生产出来的高纯度石墨烯材料售价每克在千元以上。

这样昂贵的材料,最多在实验室研究时才能出现,如果想要商业化,不说技术和产量够不够,光价格恐怕都无人买单。石墨烯这种尚且在产业化前期的技术,恐怕还要三五年才可能出现在电子产品中。


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