因此,無論是行業內,還是消費者都在期待著下壹場電池技術的革命。而石墨烯和固態電池,作為壹個可能的技術,能得到很高關註,也就不足為奇了。
5月13日,廣汽集團旗下的廣汽新能源對外宣布:今年底,石墨烯電池量產研發工作將終於從實驗室走向實車,廣汽新能源埃安車型將搭載相關技術成果。
消息壹出隨即引起了熱議,因為它意味著,廣汽新能源埃安有望成為第壹款消費者能夠買到的搭載石墨烯電池技術的電動車。
2004 年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,證實了它可以單獨存在,因此獲得?2010 年諾貝爾物理學獎。
作為目前世上電阻率最小的材料,石墨烯如果能夠成功替換現在的電池材質,理論上將大大提升充放電的效率。因此,電池行業很快開始了對石墨烯進行相關的研究。
四年後,西班牙?Graphenano?與科爾瓦多大學合作研究出全球首個石墨烯聚合材料電池,其宣稱用此電池的電動車最多能行駛1000公裏,充電時間不到 8 分鐘。更為重要的是,Graphenano還說,這款電池的成本將比鋰電池低77%。
至此,石墨烯電池的熱潮到了最高峰,相關產業的股票也全部漲停,大家以為電池材料的革命已經來到。但是,時至今日我們也沒能買到壹款真正搭載石墨烯技術的電動車,即便是在生產成本更低的數碼領域,每年都會被石墨烯消費壹波的華為,也常常出來辟謠,因為華為也沒有實現量產石墨烯電池。
那麽為什麽越來越多企業加入石墨烯電池研發制造陣營,但壹直都是只聞其“聲”,未見其“物”呢?在電池應用當中,石墨烯能夠起到的作用,壹是導電劑,二是作為負極嵌鋰材料。也就是說,石墨烯要和傳統的導電炭黑/石墨競爭。
首先最關鍵的還是成本問題,傳統導電炭黑和石墨都是論噸賣,價格在壹噸幾萬元左右,但是有“黑金”之稱的石墨烯卻是在論克賣,當前價格在300元/克左右。要知道,對於天天都在尋求各種方式降低成本的電池廠和車企來說,改用石墨烯完全不現實。
所以根本不會有廠商把壹個電極的材料全換成石墨烯,只存在“摻和了石墨烯的鋰離子電池”。因此我們有理由相信,廣汽新能源埃安車型將搭載的“超級快充電池”中,石墨烯也是以添加劑的形式出現。
其次,由於石墨烯的比表面積過大,會對現有鋰離子電池的分散均漿等工序帶來壹大堆工藝問題。如果電池廠調工藝會增加巨大的工作量,並且這樣做並沒有足夠的利潤空間驅動,試問哪家電池廠願意搞呢?
並且根據石墨烯業內廠商披露的研究成果,他們發現石墨烯對於漿料工藝的性能有很消極的影響,也就是說,石墨烯表面特性受化學狀態影響巨大,批次穩定性,循環壽命等還有很多問題沒有解決,目前來看無法滿足鋰電池生產的壹堆細致的要求。
除此之外,對於“摻和了石墨烯的電池”,雖然能夠提升充電效率的問題,但是它對並有沒改變鋰離子電池的本質,因此實際上對整個電池技術的革新並不明顯。因此,毫不誇張地講,根據現有條件,石墨烯的產業化前景依然渺茫,任何消費“石墨烯電池”的宣傳都是噱頭大於真相。
除了“石墨烯電池”之外,事實上在電池領域,被炒得很熱但是不見真身的還有固態電池。但是與“石墨烯電池”相比,固態電池要更加的接地氣壹些,因為它實際上是對目前鋰離子電池的升級。
傳統鋰離子電池,是由正極、隔膜、負極,再灌上電解液制造而成;固態電池,顧名思義就是由固態電解質代替隔膜和電解液。采用固態電解質後,電池便不會發生因電解液泄漏或揮發引起的電池起火等安全事故,同時,采用不可燃的固態電解質替換了具有可燃性的液態電解質,電池安全性大幅提高。
與此同時,使用全固態電解質後,鋰離子電池的適用材料體系也會發生改變,其中最關鍵的就是可以不用嵌鋰的石墨負極,而是直接使用金屬鋰來做負極,這樣可以大幅提高電池的能量密度。當三元鋰電池能量密度在300Wh/kg掙紮時,固態電池的能量密度能夠輕松突破400Wh/kg。
固態電池因為能夠解決現在鋰離子電池最為人所詬病的安全和續航焦慮問題,引來了無數的擁躉者,不僅有奧迪、寶馬、大眾、豐田等大牌車企布局固態電池領域,國內自主品牌也有許多發布了應用固態電池的規劃。
同樣,為什麽固態電池依然沒有在量產車上搭載呢?其中的原因有許多。首先,由於換用了固態電解質,固態電池存在電導率偏低,界面阻抗和穩定性問題。所謂電導率偏低,即電子通過的效率低;界面阻抗大、界面分離,就是正負極與隔膜的連接處存在電阻大,接觸不良的問題。
解決辦法是找到壹種合適的電解質,讓它的結構能達到既讓鋰離子順暢通過,又能解決接觸的問題。目前有三種主流固態電解質,聚合物、氧化物、硫化物,但是它們各自又有各自的問題,比如難加工、化學穩定性差等,也就是說,固態電池目前在技術層面還沒有達到靠譜穩定的狀態。
從技術突破,到規模化量產,能不能走出實驗室,還要考慮到成本和效率的問題。如果使用現有技術制造,足以為智能手機供電的固態電池,但是其成本會高達6萬元,更別說為汽車供電的固態電池成本了。
因此,固態電池的生產需要打通和建立上下遊產業鏈,壹方面正負極材料供應商要能量產新材料;另壹方面需要設備商同步研發新設備,這樣才能盡早將固態電池技術落地。
實際上,不論是從技術、成本還是運用優勢的角度來看,“石墨烯電池”的出路都被堵死了。所以毫不誇張地講,在動力鋰電池領域,宣傳搞“石墨烯電池”基本上就是噱頭大於真材實料。從另外壹個角度來看,如果華為手機都沒有實現搭載量產“石墨烯電池”的話,技術、成本要求更高的電動車搭載它的機會更小。
相比之下,固態電池更有希望成為量產的下壹代電池技術,但是固態電池的量產,不僅需要解決技術方面的問題,還需要打通和建立上下遊產業鏈。根據多數車企的估計,固態電池大批量投入整車上,最早也要到2025年左右。
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