续航1000km?石墨烯电池?新能源汽车未来可期!

不待见 2021-01-07 13:29:49

随着各国燃油车禁售日期逼近,新能源车越来越火,但是,新能源车的续航里程和充电一直是消费者担心的问题,于是各种新型能源不断推出,如氢能源、石墨烯技术的研究也如火如荼。据说,用石墨烯聚合材料电池的新能源车续航能达到1000km?而且国产采用石墨烯技术的新能源车已经进入测试阶段?如果是真的话,那未来的新能源车将有更大的发展潜力哦~~


1、石墨烯材料


石墨烯(Graphene)是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。


简单来讲,这种材料在很多方面具有非常优异的特性,在很多方面具有重要的应用前景。对于石墨烯这种万能的革命性“神奇材料”,科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。


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2、石墨烯给新能源电池惊喜


我们都知道电池技术是电动汽车推广和发展的最大门槛,从1884年第一辆量产化的电动汽车开始到现在,由于电池技术的缓慢发展,让本来年长几岁的电动车见到燃油车如见长辈一般羞涩。


目前电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈期,神奇的石墨烯似乎让其焕发了第二春。它不仅是世界上最坚硬、导热系数最高的材料,也是世界上电阻最小的材料。它可制造轻便、耐用、适用于高容量储能的电池,并能大大缩短充电时间,是理想的电池材料。


一个石墨烯电池的储电量是目前市场上最好的产品的三倍。这种电池使用寿命是传统氢化电池的四倍,是锂电池的两倍。用它来提供电力的电动车最多能行驶1000km。而将它充满电只需要不到8min的时间。石墨烯电池的重量可以减少为传统电池的一半。


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据报道,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1000km,而其充电时间不到8min,由此可见石墨烯对电池容量和充电速度提升有多大。


3、石墨烯+电池≠石墨烯电池


对于新能源汽车动力电池——石墨烯电池技术,目前讨论最多的,结合专业角度的解读,石墨烯结合锂动力电池有两种使用方法,一是用石墨烯的复合材料作为锂动力电池的导电剂,二是直接用作负极。效果都是增加锂动力电池的活性,从而提升电动汽车的续航里程、充电速度。目前不少电动车企业宣称的石墨烯电池本质上还是铅酸电池,只是正负极使用了石墨烯材料,能有效降低充放电的电阻,一定程度上提升电池的使用寿命和容量,这个比例大概是10%~20%。


石墨烯能和硅基材料搭配起来制成一种硅碳负极材料,大幅提升电池负极材料的容量,比容量将达到现有石墨负极材料的几倍。


其实,电池的充放电过程就像一个装卸货的过程,货物是锂离子/原子,充电时,正极放出多少锂原子,负极就要装下多少锂原子,放电过程则与之相反,单位质量正负极材料能够容纳的锂原子/离子数量就是比容量。


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目前,三元锂电池的正极材料比容量最高只能做到200mAh/g左右,从NCM523电池到NCM811电池,镍含量不断提高,就是为了提升正极材料的比容量;锂电池负极材料则一般采用石墨,比容量的理论上限在370mAh/g左右。


乍一看,负极材料的比容量还算富裕,但是换一个思路想想,既然电池里面的空间有限,如果把负极材料的比容量拼命提高,不就可以减少负极材料的总量,把剩下来的空间全部用来塞正极材料了吗?要知道,目前已经攻克的石墨烯硅碳负极材料容量已经达到了1000mAh/g以上。


更重要的是,电池中正极材料密度比负极材料大多了(电极材料压实密度参考值:钴酸锂4.15g/cm³;人造石墨1.5g/cm³;磷酸铁锂2.2g/cm³;硅碳复合材料1.4g/cm³),结合这些数据,简单计算一下你就会发现,用硅碳负极材料取代石墨后,竟然还能往电芯里塞下近一倍重量的钴酸锂材料,这意味着,一台特斯拉Model 3的续航里程几乎能达到1000km了,到那时,你还会考虑燃油车吗?


另外,石墨烯最大的优势是具有超高的导热性与导电性,这里有两个知识点,石墨烯是目前已知材料中,导热性能最好的材料(5000W/mK),同时也是电阻率最低的材料(10^(-6)Ω·cm)。


在现有的锂电池看来,石墨烯简直就是一种天降的神奇材料。比如三元锂电池非常怕热,在温度达到200℃后,正极材料就会发生崩解而引发热失控甚至起火;磷酸铁锂电池怕冷,温度降低正极材料析锂能力下降明显,冬季续航腰斩让车主崩溃。面对这些问题,石墨烯不愧为一剂良药。


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配合电池组的热管理系统,石墨烯是最理想的导热介质,能非常高效的实现电芯内部的增温降温。另外,石墨烯还能提升电池正负极的导电性能,想要提升电池充电速度,提高电池放电功率,石墨烯也是最好的补品。


4、石墨烯电池应用情况


1.国外情况


2018年,美国公司Fisker曾发布了名为Fisker-EMotion的电动车,据称采用电池采用了石墨烯技术的Fisker-EMotion在快充模式下,9分钟内可获得160公里的续航里程,但这款车已经没有后续消息了。


2.广汽应用情况


广汽从2014年开始研究石墨烯的大规模制备,已具有独立自主知识产权的3DG石墨烯制备技术,并且还将石墨烯材料应用在快充锂离子电池、超级电容、锂硫电池和轻量化车身材料等多个领域。目前,广汽已从电芯、模组、搭载整车多个层面初步验证石墨烯技术,石墨烯电池的量产应用也许很快就会到来。


从广汽集团官网可以看出,2020年7月份,广汽集团在其科技日活动上集中展示的创新科技成果之一的黑科技就是石墨烯科技。


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基于石墨烯优良的导电性和特殊的三维结构,广汽开发了一款超级快充电池,它可以做到8min充满80%电量,可以实现充电10min、续航200~300km。充电速度堪比加油,这将为用户节省大量充电等待时间,提高汽车使用效率。


据报道,广汽集团在2020年底,用石墨烯动力电池进行了实车量产测试。该产品的引入,将有效解决目前电动车所面临的两大核心问题,即充电和续航。


另外,相比三元锂电池或磷酸铁锂电池,石墨烯电池还拥有更高的充电效率以及更长的使用寿命等优势。


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不过,石墨烯电池也有一个非常致命的缺点——生产成本高。这将使得搭载石墨烯电池的新能源汽车售价变得不够平易近人,对于大众消费者而言,用上该技术或许还需要等待一段时间。


当然,换个角度来看,石墨烯电池与高端新能源汽车品牌堪称绝配,后者有充足的利润空间吃掉多余成本,而石墨烯电池所给用户带来的优秀体验,则可以帮助高端新能源汽车品牌在市场上建立优势,再次向更高的价位进行突破。事实上,广汽集团研发该技术,目的也是为了建立高端新能源汽车品牌。


据悉,广汽集团的石墨烯电池技术的首秀将用于子品牌埃安电动汽车之上。该技术不仅可以帮助埃安迅速在市场上站稳脚跟,打响知名度,还可以帮助广汽旗下新能源汽车摆脱对头部动力电池厂商的依赖,促使头部电池企业加快技术创新速度,总体来看,有助于动力电池市场的稳定发展。


只是,考虑到我国充电网络的承受能力,目前即便石墨烯电池技术通过测试,搭载该技术的汽车成功上市,快充想要普及也需要较长时间。


5、结语


目前电池行业内部对于何为石墨烯电池尚未有明确的定论,毕竟,现阶段石墨烯仅仅是作为一种辅助材料运用于电池中,不能为了营销噱头拼命把产品和石墨烯联系到一起,那其实是对技术研发的亵渎。


另外,石墨烯运用比较大的瓶颈还有价格因素。现在广泛采用的负极材料——石墨的单价在5000元左右,计价单位是吨,而高品质的石墨烯的单价也是5000元左右,不好意思,计价单位是克。如今,随着制备工艺的不断改进成熟,近几年,石墨烯的价格坐上了滑梯,一路走低,这将有利于石墨烯技术在电池中的应用。

来源:机械工程师

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