淺談未來(lái)的潛力股石墨烯電池要走的路

在消費(fèi)電子領(lǐng)域，電池容量和充電速度一直是一個(gè)不變的話題，很多廠商都把充電時(shí)間和電池容量作為產(chǎn)品噱頭。放眼全球電子設(shè)備市場(chǎng)，已經(jīng)出了很多年的鋰電池依然是這個(gè)領(lǐng)域的絕對(duì)霸主。市面上幾乎所有的智能手機(jī)都內(nèi)置了這種電池，甚至波音的787夢(mèng)想飛機(jī)也內(nèi)置了大量的鋰電池。

而鋰電池在安全性、續(xù)航能力、環(huán)境污染、充電速度等方面的巨大缺點(diǎn)，已經(jīng)嚴(yán)重制約了各大高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，許多企業(yè)的R&D部門都將目光投向了更先進(jìn)的“石墨烯電池”(石墨烯電池)，相信這種新型電池將在未來(lái)完全取代已經(jīng)問(wèn)世超過(guò)26年的鋰電池。

什么是石墨烯電池？

石墨烯是一種二維材料，具有六方蜂窩狀晶格，由sp2雜化軌道的碳原子組成，只有一個(gè)碳原子的厚度。目前，石墨烯是世界上最薄最硬的納米材料。它幾乎完全透明，僅吸收2.3%的光，也是世界上電阻率最低的材料。

所謂石墨烯電池是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性開發(fā)的新能源電池。目前，作為最薄、最硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱能力最強(qiáng)的納米材料，石墨烯的概念自2004年問(wèn)世以來(lái)就備受關(guān)注。

以動(dòng)力電池領(lǐng)域?yàn)槔┦且环N很有前景的鋰離子電池正負(fù)極材料。同時(shí)，石墨烯聚合物電池的重量?jī)H為傳統(tǒng)電池的50%，成本將比鋰電池低77%。從性能上看，石墨烯鋰電池一次充電不超過(guò)10分鐘。

石墨烯因其獨(dú)特的特性被稱為“神奇材料”，科學(xué)家甚至預(yù)言它將“徹底改變21世紀(jì)”。

理想很美好。

眾所周知，智能手機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電池材料仍然是鋰電池，它于1991年首次商業(yè)化，隨后成為電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。但很多人認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到極限，希望找到替代來(lái)源，于是石墨烯電池技術(shù)進(jìn)入了人們的視線。



根據(jù)目前的消息，三星下一代旗艦機(jī)型Galaxy S9將采用石墨烯電池取代現(xiàn)有的鋰電池。這種電池在相同體積下的存儲(chǔ)容量約為鋰電池的45%，但可以在12分鐘內(nèi)充滿電，在高達(dá)60攝氏度的環(huán)境下也能保持較高的穩(wěn)定性。這使得這種材料電池不僅非常適合智能手機(jī)，也非常適合電動(dòng)汽車。

據(jù)悉，三星研究院已經(jīng)找到了大規(guī)模結(jié)合石墨烯和二氧化硅的方法。這種融合的材料被稱為“石墨烯球”，具有爆米花狀的結(jié)構(gòu)。研究人員指出，這項(xiàng)技術(shù)不僅提高了電池的穩(wěn)定性，還提高了導(dǎo)電性，“極大地提高了陰極的可循環(huán)性和快速充電能力”。更重要的是，它們的能量密度接近800Wh/L，與特斯拉使用的鋰離子電池差不多。

外界認(rèn)為，如果三星是世界上第一家成功將石墨烯電池投入量產(chǎn)設(shè)備的制造商，將使這家韓國(guó)公司長(zhǎng)期成為石墨烯材料的獨(dú)家供應(yīng)商或?qū)＠钟姓撸@也將對(duì)公司的營(yíng)收和全球地位有很大幫助。

同時(shí)“石墨烯電池”的概念在新能源汽車領(lǐng)域被反復(fù)提及，似乎已經(jīng)成為電動(dòng)車電池技術(shù)的突破口。石墨烯電池被稱為“里程碑黑科技”，號(hào)稱可以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和續(xù)航時(shí)間，縮短充電時(shí)間。

最具代表性的可能就是菲斯克(Fisco)創(chuàng)始人亨利·菲斯克(Henry Fisco)研發(fā)的菲斯克EMotion電動(dòng)車。FiskerMotion將采用新的石墨烯電池材料，充電九分鐘后可行駛208公里，最大續(xù)航里程644公里，最高時(shí)速259公里。這款車預(yù)計(jì)將于2020年率先在英國(guó)銷售。

此外，國(guó)內(nèi)媒體報(bào)道稱，浙江大學(xué)科學(xué)家利用石墨烯薄膜作為陰極材料，研發(fā)出一種新型鋁-石墨烯電池。這種電池使用壽命長(zhǎng)，能在極短的時(shí)間內(nèi)充滿電，能在零下40℃到120℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。

而且這次研發(fā)的鋁-石墨烯電池有一些目前其他電池?zé)o法比擬的特點(diǎn)。比如鋁-石墨烯電池在零下40℃的低溫下依然可以穩(wěn)定充放電1000次；高溫到100℃，穩(wěn)定充放電45000次，即使電芯接觸火焰也不會(huì)起火爆炸。這種寬廣的溫度應(yīng)用范圍為鋁離子電池未來(lái)在極端溫度條件下的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

此外，該電池具有良好的柔韌性，經(jīng)過(guò)10000次彎曲后容量仍能保持不變，顯示了其在可穿戴柔性電子設(shè)備中的應(yīng)用潛力。

現(xiàn)實(shí)很骨感

目前石墨烯電池在資本市場(chǎng)上有著巨大的想象空間，但很多學(xué)者認(rèn)為石墨烯電池還是實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品，真正的量產(chǎn)還遙遙無(wú)期。

北京有色金屬研究總院高級(jí)工程師清華大學(xué)博士劉觀偉在接受國(guó)家商報(bào)記者采訪時(shí)表示，“首先，對(duì)于石墨烯電池如何定義存在分歧。石墨烯加入電極材料時(shí)定義石墨烯電池有誤導(dǎo)性。關(guān)于石墨烯電池的消息僅限于一些表面報(bào)道，甚至連電池的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理示意圖都沒有，能量密度、電壓、循環(huán)壽命等具體技術(shù)參數(shù)也缺乏。對(duì)于電池行業(yè)來(lái)說(shuō)，沒有這些信息，報(bào)道的新聞就缺乏最基本的可信度，虛假夸大宣傳的可能性極大。”

中國(guó)石油大學(xué)教授李勇鋒也持懷疑態(tài)度。他認(rèn)為，目前石墨烯在電池中的應(yīng)用主要是與電池負(fù)極中的硅結(jié)合，替代原有的石墨，可以提高電池的整體容量和充電速度，但性能提升效果有限，網(wǎng)上傳言的顛覆性提升也不太現(xiàn)實(shí)。此外，有業(yè)內(nèi)人士提到，石墨烯的表面特性受化學(xué)狀態(tài)影響較大，批次穩(wěn)定性、循環(huán)壽命等問(wèn)題難以滿足鋰電池生產(chǎn)的細(xì)節(jié)要求。

中建投的報(bào)告也顯示，性能優(yōu)異的石墨烯產(chǎn)品何時(shí)能走出實(shí)驗(yàn)室還是未知數(shù)。比如石墨烯作為透明導(dǎo)電膜時(shí)，其工業(yè)產(chǎn)品的制備存在一定的瓶頸，使得產(chǎn)品中石墨烯原油的低電導(dǎo)率無(wú)法發(fā)揮。由于單層石墨烯沒有帶隙，無(wú)法實(shí)現(xiàn)邏輯電路必備的晶體管開關(guān)功能，工藝復(fù)雜度大大提高，因此在微電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用尚需時(shí)日。

誠(chéng)然，石墨烯被認(rèn)為是未來(lái)最有潛力的材料之一，但目前來(lái)看，其泡沫成分大于其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。阻礙這種材料普及的因素很多，大規(guī)模生產(chǎn)和成本是普及的主要障礙。石墨烯電池短時(shí)間內(nèi)完全替代鋰電池恐怕還有很長(zhǎng)的路要走。