石墨烯鋰電池：電動汽車續(xù)航里程的未來？

    鋰電世界  2014年12月26日，美國電動汽車制造商特斯拉發(fā)布了兩年前停產(chǎn)的第一代車型Roadster的升級版，續(xù)航里程達到644公里，高出原版60%。

    電池技術(shù)的進步，提升了特斯拉產(chǎn)品的性能。此前Roadster的續(xù)航里程是393公里。特斯拉CEO馬斯克稱，特斯拉的高性能石墨烯電池，相比目前的容量增長近70%。

    英國科學家發(fā)明石墨烯10年后，在電池上的應用獲得巨大突破。2014年12月初，西方媒體報道，西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學合作研發(fā)的石墨烯電池，一次充電時間只需8分鐘，可行駛1000公里。它被石墨烯研究者稱做“超級電池”。

    “我們現(xiàn)在還在了解情況，正在求證西班牙這種電池的具體情況，如果確認是這樣的，那確實是革命性的變化出來了。”中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長李義春對記者稱。

    西班牙的“超級電池”很快將像特斯拉一樣應用于汽車上，據(jù)西方媒體報道，它的擁有者12月在德國兩大汽車巨頭的汽車上進行試驗，并在2015年第一季度生產(chǎn)上市使用。

    石墨烯充電時間接近加油

    目前，全球汽車制造商使用的動力電池主要使用鋰電池，以特斯拉為代表的鎳鈷鋁酸鋰電池(鈷酸鋰電池)、以比亞迪為代表的磷酸鐵鋰電池和以日本汽車為代表的錳酸鋰電池。

    這三類電池以鈷酸鋰電池能量密度最高，但它在高溫下也最不穩(wěn)定；磷酸鐵鋰電池最穩(wěn)定，但能量密度最低。

    鋰離子電池技術(shù)，已經(jīng)沉寂了20年沒有大的技術(shù)革新。一位研究動力電池的專家稱，其最大的障礙在于，鋰離子電池功率密度有限，其大量能量無法快速接收或釋放。

    特斯拉升級版的Roadster3.0采用了改進過的鋰電池，特斯拉沒有確認是否加入了石墨烯。不過，它的性能有大幅度的提升，恐怕只有石墨烯能做到。新改進的18650型鋰電池的容量大幅度加大，6831節(jié)電池組數(shù)量沒有增加，但電池組的總?cè)萘繌?3kWh提高到了70kWh.

    據(jù)接受采訪的專家介紹，石墨烯的結(jié)構(gòu)可以改變鋰電池技術(shù)長期沒有突破的障礙。石墨烯片材內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隔擴大，以允許更多的電解質(zhì)“潤濕”及鋰離子電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能。

    “石墨烯的特點是導電速度快，導電性能好，目前很多研究都在實驗，具體哪一塊很難說，不過縮短充電時間等是肯定的。”李義春說。按照美國倫斯勒理工學院研究人員的預計，石墨烯陽極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽極充電或放電速度快10倍。

    按照西班牙上述機構(gòu)的數(shù)據(jù)，石墨烯也可能大幅度增加電池的容量。“超級電池”參數(shù)顯示，其能量密度超過600wh/kg，是目前動力鋰電池的5倍;使用壽命是目前鋰電池兩倍;其成本將比目前鋰電池降低77%。

    鋰電池傳統(tǒng)制造強國是日本和韓國，在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機，韓國科學家早在去年11月就宣布，最新發(fā)明的石墨烯超級手機電池，可存儲與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時間只需16秒。

    日本在電池技術(shù)上實行兩條路線并行，除了發(fā)展普通意義上的鋰電池，他們還研究燃料電池技術(shù)，用特制的石墨烯材料替代鉑作為催化劑，來制造燃料電池車所需的氫燃料，獲得突破。

    目前石墨烯的研究總體上分兩塊：

    一是在傳統(tǒng)鋰電池上進行應用，目的是改進、提升鋰電池的性能，這類電池不會產(chǎn)生顛覆性的影響;

    二是依據(jù)石墨烯制造一個新體系的電池，它是一個嶄新系列的，在性能上是顛覆性的，稱作“超級電池”。

    中國2015年量產(chǎn)石墨烯鋰電池

    中國新能源汽車推廣長達5年，但效果并不理想。據(jù)工信部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2014年前11個月，我國新能源汽車累計生產(chǎn)5.67萬輛，和2015年純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產(chǎn)銷量力爭達到50萬輛的目標差距巨大。

    市場化艱難的主要原因，在于使用的便捷度上：一是，續(xù)航里程較低，消費者普遍有里程焦慮;二是，充電設(shè)施不完善，充電不方便影響使用。

    在傳統(tǒng)的解決方案中，車企采用了先推廣混合動力車型緩解里程焦慮，消費者可以根據(jù)實際情況選擇用油或者用電;另一個角度，國家鼓勵大規(guī)模建設(shè)充電站和充電樁，緩解充電難。

    石墨烯超級電池的出現(xiàn)，可能徹底改變現(xiàn)有的充電問題。續(xù)航里程成倍增長，長途出行的里程焦慮可能徹底打破。以西班牙的超級電池為例，1000公里的續(xù)航里程幾乎接近北京到上海的直線距離，遠超出傳統(tǒng)汽車一箱油的行駛距離。

    石墨烯充電速度提升，可以減少充電時間，宏觀上可以大范圍減少充電站和充電樁的需求。以目前全球領(lǐng)先地位的特斯拉ModelS85為例，其通過大功率的超級充電站充電，也要80分鐘才能充滿，車主等充電的時間仍然是一次煎熬。

    “超級電池10分鐘的充電時間，比加一次油時間長一點點，但續(xù)航里程比一箱油要長很多，消費者再也不會抱怨。”一位汽車業(yè)內(nèi)人士分析稱。

    目前，油電混合動力車被認為是市場上最適合由燃油車過渡到電動車的最好產(chǎn)品，而且這個過渡階段可能長達15-20年，但電池材料的進步可能推翻這種預判，甚至連純電動車的普及也可能不需要那么長時間。

    “超級電池”一旦大規(guī)模應用到電動車上，對整個行業(yè)將是顛覆性的。“一些百年車企可能沒有這項技術(shù)而衰落，而一些只有十幾、二十年的車企，因為掌握新材料技術(shù)，可能成為新的巨頭。”

    李義春介紹說，目前國內(nèi)對石墨烯電池的研究進展順利，一些高校研發(fā)團隊和深圳的企業(yè)進行合作，研究已經(jīng)進入了中試階段，“預計2015年上半年就可能實現(xiàn)量產(chǎn)，性能會有很多提升。比如，可以在不增加多少成本前提下，增加鋰電池的充放電次數(shù)，提高電池安全性等。”

    中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟，在2013年就已經(jīng)向國家各部委上報了多個石墨烯研發(fā)示范基地，無錫、重慶、南京、青島、常州等紛紛建立石墨烯產(chǎn)業(yè)示范基地。2014年12月，國家主席習近平親赴江蘇高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院，調(diào)研石墨烯研發(fā)及參觀產(chǎn)品展示。

    不過，據(jù)石墨烯電池研究人士透露，目前國內(nèi)主要研究的是石墨烯運用到鋰電池上，而非全新體系的“超級電池”，所以國內(nèi)技術(shù)和超級電池有一定差距。國家相關(guān)部門對此很重視，2015年出臺的“十三五”新材料規(guī)劃可能將石墨烯納入其中。