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一文读懂石墨烯电池,是炒作?还是真的黑科技?

时间:2018-01-23 来源:旺彩娱乐 作者:杜芹

旺彩娱乐 www.india11v.com 近日三星电子宣布开发出核心电池技术,其研究机构三星先进技术研究院(SAIT)成功合成了“石墨烯球”,可将电池容量提高45%,而充电速度提高至现有标准的五倍。在各大新闻的重磅报道下,不明真相的吃瓜群众就纷纷表示首款石墨烯电池又出世了。来吧,让我们看看这神乎其神的“石墨烯电池”究竟是怎么回事。

石墨烯因其强大的导电性能而被认为是革命性储能材料。在新能源汽车领域,“石墨烯电池”概念被反复提及,似乎已成为目前电动汽车电池技术的突破口。石墨烯技术电池被称为是“里程碑式的黑科技”,但是在伴随这追捧的情况下,争议的硝烟也从未间断。处在风口浪尖的“石墨烯电池”到底是概念性的炒作?还是真的会改变世界的黑科技呢?

石墨烯到底是“神马”?

实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

它是英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2004年用胶带撕石墨“撕”出来的。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

图:物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫

1毫米厚的石墨片大约包含300万层石墨烯,这种网状的二维、几乎完全透明的晶体成为了世界上最薄但是最坚硬的材料。同时,石墨烯具有极好的导电性与导热性,因此也是目前世界上电阻率最小的材料。

石墨烯电池能够在最高60摄氏度下保持稳定,稳定且简单的物理结构,让这种材料能够应付更为严苛的环境,不只局限于电视,石墨烯同时也是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

所以,石墨烯瞬间一下子受到各界的青睐。尤其是电动汽车领域,石墨烯电池更被神话为“充电五分钟,奔跑一千公里”,然而神话就是神话啊~~

三星研究出石墨烯电池?别被字面文字骗了

关于石墨烯电池的新闻报道现在屡见不鲜,尤其是经过各大媒体渲染之后,“首款石墨烯电池”会时不时的出现人们眼前。最近关于石墨烯电池的大事件当属于三星研究出石墨烯电池。

27日,三星电子宣布开发出核心电池技术,三星先进技术研究院宣布开发出一种方法,用硅石来合成像三维爆玉米花一样的石墨烯,然后将这些石墨烯“球”用作先进锂离子电池的材料。利用石墨烯延长锂离子电池续航时间,并加快充电速度。三星电子表示,其研究机构三星先进技术研究院(SAIT)成功合成了“石墨烯球”,可将电池容量提高45%,而充电速度提高至现有标准的五倍。这种石墨烯电池只需要12分钟即可充满电;而现有的锂离子电池充电需要一个小时左右。

三星科学家展示石墨烯模型

可以看到,在这款电池中,石墨烯并没有作为电池的正极或负极材料,而仅仅是帮助锂离子电池续航,当然,客观来说,这款电池的性能已经很牛逼了,但是跟真正的石墨烯电池相去甚远。

其实在这之前,关于”石墨烯-超级电池”类似这种噱头十足的研究成果的新闻也不少见。

l 早在2014年12月初,西方媒体报道,西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发的石墨烯电池,一次充电时间只需8分钟,可行驶1000公里。它被石墨烯研究者称做“超级电池”。这种实验室的研究成果,距离实际商用果然还是太远。

l 15年12月份,中科院上海硅酸盐研究所发布消息称,该所联合北京大学、美国宾夕法尼亚大学展开持续攻关,已研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯,该材料具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的“超强电池”,充电只需7秒钟,即可续航35公里,相关研究成果已于12月18日发表在世界顶级期刊《科学》上。这个消息应该是石墨烯“自嗨”的起点,而现在已经马上到2017年了,我们还没有见到一辆石墨烯电池车动车。

l 比如华为去年的新闻报道:“华为中央研究院瓦特实验室宣布,他们在锂离子电池领域实现重大研究突破,推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池,而这个新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高 10℃,使用寿命是普通锂离子电池的 2 倍。”

l 还有在Mate8的发布会之前,也曾以石墨烯点为宣传点,造成“发布会未开,Mate8已火”的盛况。但是后来,在长达两个半小时的发布会中,华为只字未提“石墨烯”,只是提到了超长续航、快速充电而已,以致于许多人大呼被骗了。

“石墨烯电池”不存在

石墨烯在电池领域的应用形式,无外乎三种:一是直接作为正/负极材料;二是作为导电添加剂,添加到正/负极电极材料中,或对电极材料进行复合改性处理,提高电极导电性和充放电倍率;三是作为集流体或集流体涂层,用于提高电池功率特性。

而石墨烯在锂离子电池上的应用主要采取后两种方式。因为石墨烯直接作为负极材料时,其表面特性容易受外界影响,稳定性极差,存在首次效率低下等问题,难以满足锂离子电池性能需求。

石墨烯材料与传统电池材料混合,能够显著提升电池充放电、循环寿命等,它也成为动力电池企业在新一轮市场竞争中的制胜点。不可否认,石墨烯应用工艺创新、研发,一直是制约我国电池相关行业实现产业升级的难题。

纵观全国石墨烯产业,将石墨烯作为基础材料添加到现有各类电池材料中,已成为国内各主流电池企业的普遍做法。

为什么说石墨烯电池炒作大于实用?

不难发现,在很多百科以及专业的电池门户网站上,很难找到关于石墨烯电池的详细介绍。缺乏很多必要的技术参数,如能量密度、电压、循环寿命等。对于电池来说,一个连基本结构都没有明确定义的电池,铺天盖地的新闻又怎能让人相信呢?新闻越多,会不会是“石墨烯电池”不靠谱的佐证呢?

那么石墨烯电池为何如一只困笼之兽呢?目前来看,采用石墨烯电池作为材料,还有很多内在与外在的问题急需解决:

1.成本无法接受。传统导电炭黑和石墨都是论吨卖的,而石墨烯是论克卖,不知道猴年马月才能降到与电炭黑和石墨相近的价格,即便是按照某些媒体报道的石墨烯降低到3元/克,换算成吨也要300万元/吨。再退一步讲,就算“超级电池”真的能制造出来,它的价格也是我们这些“穷”人无法接受的。

2、工艺不兼容。石墨烯表面积过大,会对现有锂离子电池的分散均浆等工序带来一大堆工艺问题。如果电池厂调工艺会是一个巨大的工程,而此时又没有性能指标突破性进步带来的足够的利润空间驱动,加之石墨烯表面特性受化学状态影响巨大,批次稳定性,循环寿命等等都有很多问题,目前来看无法满足生产中遇到的一堆问题。

3、如果石墨烯做负极(取代理论容量360mAh/g的石墨):理论上最多是石墨负极两倍的容量(720mAh/g),效率太低,且性能受表面状态影响极大,反观硅,它的理论容量近石墨的10倍,且在抑制粉化开裂方面这几年来已经有了很多科研和工业等级的成果。

所以“石墨烯电池”本来就是掺了点石墨烯的锂离子/铅酸电池,不存在替代问题,因为这个技术压根就是“只可远观不可亵玩焉”!

量产之路,道阻且长

石墨烯材料从实验室到工程化应用,再到商业化,还有很长的路要走,更需要做好石墨烯及其改性材料在工业产品中的首批次示范应用。

就目前来看,石墨烯电池无论是在先天性、技术方面、外在因素上,都或多或至少的存在着劣势,至少在目前来看,石墨烯电池应用在实际场景中,还需要很长的路要走。

电池技术发展的确比较缓慢,这需要我们大家一起踏实把事情做好,而不是天天指着满天飞的噱头来解决生活中的问题。面对中国现在石墨烯产品跟我国电池产品一样,量大而质拙。而到真正的石墨烯电池,我们可能还要有十年甚至更久的路走。用一个未来才会民用的东西,现在就宣称量产来圈钱,虽然出发点是好的,但并不利于我国电池行业的扎实发展。我们或许应该好好学习下日本做电池的那种匠人精神。

小结

石墨烯电池目前就像一头困兽,前后夹击,不过石墨烯电池毕竟是一头兽,也许什么时候突破了重围也说不定呢!

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