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石墨烯的优势 石墨烯的理想和现实

2017年12月24日 09:05 次阅读

石墨烯电池被称为是新材料之王,它的作用让科学家预言其将“彻底改变21世纪”。作为目前最坚硬、导电导热性能最强的纳米材料,其发展一直备受关注。

在消费电子领域,电池容量和充电速度一直都是亘古不变的话题,不少厂商都把充电时间和电池容量作为产品噱头。而放眼全球电子设备市场,已经问世多年的锂电池依旧是这一领域的绝对霸主,市面上几乎所有智能手机都内置了这一电池,就连波音公司的787“梦幻客机”都内置了大量锂电池。

但是,锂电池在安全性、续航能力、环境污染以及充电速度方面存在的巨大短板已经开始严重限制了各大高科技产业的发展,因此许多企业研发部门都将目光放到了更先进的“石墨烯电池”(Graphene cell)上面,并相信这一新型电池未来将彻底取代已经问世超过26年的锂电池。

什么是石墨烯电池?

墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,同时也是世界上电阻率最小的材料。

所谓的石墨烯电池是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新能源电池。作为目前最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯的概念自2004年问世以来一直备受关注。

以动力电池领域为例,石墨烯是具有良好应用前景的锂离子电池正负极材料。同时,石墨烯聚合材料电池的重量仅为传统电池50%,成本将比锂电池低77%。从性能来看,石墨烯锂电池充电一次,耗时也不超过10分钟。

由于其独有的特性,石墨烯被称为“神奇材料”,科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。

理想很美好

众所周知,目前智能手机领域使用最多的电池材料依旧是锂电池,锂电池最早于1991年商用,之后成为电子设备的标配。但很多人认为这项技术已经达到极限,希望寻找替代来源,于是石墨烯电池技术就进入了人们的视线。

目前的消息显示,三星下一代旗舰机型Galaxy S9将使用石墨烯材质电池来取代现有的锂电池。这类电池在相同体积下的电池存储能力大约是锂电池的45%,但却可以在12分钟内完成充满电,而且可以在高达60摄氏度的环境中保持高度稳定性。这也就使得这一材料电池不仅十分适用于智能手机,还非常适用于电动汽车。

据悉,三星研究所已经找到了将石墨烯与二氧化硅大规模结合起来的方法,完成融合的材料被称为“石墨烯球”,有着类似爆米花的结构。研究人员指出,这种技术既提高了电池的稳定性,又提高了电导率,“大大提高了阴极的可循环性和快速充电能力”。更重要的是,它们的能量密度接近800Wh/L,大约与特斯拉所使用的锂离子电池等一样。

外界分析认为,如果三星是全球首家成功将石墨烯材质电池投入量产设备的厂家,那么将使得这家韩国企业在很长一段时间内成为石墨烯材质的独家供应商或者专利持有方,而这对于该公司的营收和全球地位提升也有着巨大帮助。

与此同时,“石墨烯电池”的概念在新能源汽车领域也被反复提及,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“里程碑式的黑科技”,号称能够延长电动车续航里程、电池寿命,同时缩短充电时间。

其中最具代表性的或许就是Fisker(菲斯科)创始人亨利-菲斯科(Henry Fisker)所研发的Fisker EMoTIon电动车了。Fisker EMoTIon将采用新的石墨烯电池材料,充电九分钟就可以行驶208公里,最大续航里程达到644公里,最高时速为259公里/小时。该车预计在2020年,率先在英国出售。

此外,国内媒体有报道称浙江大学科学家日前利用石墨烯膜作为正极材料,研发出了一种新型的铝-石墨烯电池。这种电池寿命超长,能在极短时间内充满电,且在零下40℃到120℃的温度范围内都能正常工作。

而且,此次研发出的铝-石墨烯电池还有一些当前其他电池无可匹敌的特性。比如低温至零下40℃,铝-石墨烯电池仍能稳定充放电1000次;高温至100℃,稳定充放电45000次,即使电芯暴露于火焰中也不会起火或爆炸。这一宽温度使用范围为将来铝离子电池在极端温度条件下的使用打下了基础。

此外,这种电池还具备很好的柔性,在1万次弯折后容量依旧可以保持不变,展现出了在可穿戴柔性电子器件中的应用潜力。

现实很骨感

目前的资本市场对于石墨烯电池存在巨大的想象空间,但也有不少学者认为,石墨烯电池目前多方面技术难以突破,因此还是一种处于实验室的产物,距离其真正量产仍然遥遥无期。

北京有色金属研究总院高级工程师、清华大学博士刘冠伟在接受记者采访时认为,“首先如何定义石墨烯电池就存在分歧:电极材料中添加了石墨烯材料就定义为石墨烯电池存在误导。关于石墨烯电池的新闻都仅限于一些皮毛的报道,连电池的结构和反应机理示意图都没有,也缺乏具体的能量密度、电压、循环寿命等具体技术参数。对于电池工业来说,没有这些信息,报道出来的新闻缺乏最基本的可信度,虚假夸大宣传的可能性极大。”

中国石油大学教授李永峰同样持质疑态度。他认为,目前石墨烯在电池上的应用,主要是和硅结合在电池负极里面代替原来的石墨,这样可以提升电池的整体容量和充电速度,但性能提升效果有限,网上传言颠覆式提升并不太现实。此外,也有业内人士提及,石墨烯表面特性受化学状态影响巨大,批次稳定性、循环寿命等问题也比较难以满足锂电池生产的细致要求。

中信建投的报告同样显示,具备优异性质的石墨烯产品何时能走出实验室仍然是未知数。例如石墨烯作为透明导电膜使用时,其工业产品的制备便存在一定的瓶颈,使得产品中石墨烯原油的电导率低等特性无法发挥。由于单层石墨烯没有带隙,无法实现逻辑电路必需的晶体管开关功能,工艺复杂性程度大幅提高,因此其在微电子领域的广泛使用还有待时日。

诚然,石墨烯被认为是未来最具潜力的材料之一,但就目前而言,它的泡沫成分大于实际应用价值,阻碍这种材料普及的因素很多,可量产性和成本则是最主要的普及障碍,石墨烯电池要想在短期内彻底取代锂电池恐怕还有很长的路要走。

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石墨烯发热膜应用