成本高 缺市場檢驗 石墨烯電池尚需時日

  近日,一種名為“烯王”的電池問世,該生產公司稱其為石墨烯基鋰電池。與普通電池相比,在滿足5C(C表示電池充放電時電流大小的比率即倍率)條件下,石墨烯基鋰離子電池可以實現15分鐘內快速充放電。此前媒體報道的資料顯示,該產品的石墨烯基鋰離子電芯主要為18650圓柱電芯,正極采用石墨烯/磷酸鐵鋰復合材料,具有快速充放、循環壽命長、高低溫性能佳等優點。而且,它還可在-30℃~80℃環境下工作,循環壽命更高達3500次左右。

  生產公司表示,電芯具有良好的大倍率充放電性能和循環性能,可適用於移動能源、汽車動力電源、啟停電源、無人機產品等,但遺憾的是,業內其他相關配套跟不上。

  一時間,“烯王”引起瞭各方的關註。因為自從石墨烯電池概念問世以來,圍繞它的討論一直沸沸揚揚,其中的焦點問題有二:其一是它理論上可以實現的高性能,其二則是它的命名以及是否能成真。

  難以實現的快充

  早在幾年前,石墨烯電池就被電動汽車行業寄予厚望。因為眾所周知,電動汽車電池容量較大,充電時間較長。如果有一款經濟實惠且耐用的快充電池提供給電動汽車,相信一定會為電動汽車開拓新的市場。

  但是由於種種原因,千呼萬喚的石墨烯電池卻一直沒有在電動車市場露面。

  復旦大學高分子科學系教授盧紅斌在接受《中國科學報》記者采訪時解釋瞭石墨烯電池“難產”的原因:在電池的學術領域中,快速充電一直是追求的目標,但是電池結構本身與快速充電兩者之間有些矛盾。

  “電池一般包括正極、負極、電解液和隔膜。理想狀態下,電池中的電荷在兩極之間自由通過,同時電解液不發生變化,隔膜也不被破壞。但實際上,這樣的理想狀況很難實現,尤其是在快速充電情況下。”盧紅斌說道。

  但在實際應用中,電荷“遊走”在正負兩極之間時,可能出現電池內部溫度升高,電荷工作環境甚至電極結構發生改變,隨之影響電解液(如分解放出氣體)和隔膜(形成的晶體破壞隔膜)。當高速充電時,電荷遷移速度加快,就更容易讓電池溫度升高,一些不期望的副反應甚至結構性破壞就可能發生。

  “所以說,高速充電對電池結構、隔膜、電解液的要求都將大幅提升。”盧紅斌解釋道。

  當然,電荷運動的快慢與正負極的材料本身也有一定關系。目前市面上流行的兩種電池包括磷酸鐵鋰電池和鈷酸鋰電池,前者因安全性好多用於電動汽車,後者價格相對低廉多用於手機。在這兩種電池中,陽極往往采用能吸藏鋰離子的碳極,放電時,鋰離子脫離電池陽極,到達電池陰極;負極材料選擇餘地相對較大,包括各種碳材料,如天然石墨、合成石墨、碳纖維等。

  但無論采用哪種材料,如果無法解決上述問題,依然做不出真正的長壽命快充電池。此時,石墨烯開始進入瞭科研人員的視野。

  2015年,美國倫斯勒理工學院的研究者發現,使用石墨烯作為電池的陽極材料,其充放電速度將超過鋰離子蓄電池的10倍。而此次“烯王”采用的是磷酸鐵鋰與石墨烯搭配作為電池正極。實際上,如前所述,電池能否快充,除瞭正極以外,其他各個部分的協調匹配同樣重要,尤其是涉及電動汽車使用的動力電池,安全、高效和長壽命往往需要同時滿足。

  命名的困惑

  不可否認,使用石墨烯作為電池的陽極材料的確在一定程度上提高瞭快速充放電性能,但業內人士認為,因為添加瞭石墨烯材料,就將鋰離子電池命名為石墨烯電池也是不妥的。

  哈爾濱工業大學化工學院電化學科學與工程系教授袁國輝在接受《中國科學報》記者采訪時表示:“石墨烯電池的概念不符合行業命名原則,也不是行業共識。從專業的角度,電池的命名一般是遵循‘正極—負極活性材料’的規則,鋰離子電池充放電時,成流反應是鋰離子在正、負極材料中的嵌入和脫出的貢獻。電極中添加石墨烯材料時,石墨烯的主要作用是提高電極的導電性,盡管可以提高電池的性能,石墨烯的角色並不是鋰離子電池正負極的活性材料。”

  盧紅斌也同意業內人士不贊同對於石墨烯電池的命名觀點,但是在市場中,對於廣大用戶來說,加瞭石墨烯的鋰電池性能得到改善,將之命名為石墨烯電池可以接受。

  相比命名問題,盧紅斌則更關心,石墨烯電池是否能達到期望的使用效果。

  還須市場檢驗

  雖然“烯王”在宣傳時打出瞭15分鐘快速充放電的宣傳標語,但盧紅斌認為,作為充電寶來說,市面上普通的充電寶的價值不過100元左右,但是石墨烯電池的成本較高,是普通鋰電池的4倍左右,使用者是否會選擇石墨烯的充電寶還是未知數。而且,具體能否達到循環壽命的理論值也有待驗證。

  “我們期望電池有突破,特別是中國市場對高性能電池的需求,讓這一驅動力更強。電子產品領域有期待,電動汽車領域更加期待。”盧紅斌說,有期待是一回事,要想開發出滿足市場需求的產品還需要一個過程。

  事實上,為瞭改善電池性能,除瞭石墨烯外,研究者還發現瞭不少其他材料實現電池的快充,這其中也有不少平衡性價比的選擇。

  盧紅斌認為,滿足手機充電的充電寶石墨烯電池問世,並不能代表電動汽車石墨烯電池曙光的到來。

  此外,一位不願透露姓名的電動車業內人士也在接受采訪時表示,電動車快充需要實現的前提條件較多,除瞭電池本身的因素,還有對充電站甚至充電線的要求,因為每條電纜通過的電流有限,如果需要實現快充,就需要增加電纜數量,充電線的橫截面擴大,重量增加,降低瞭便捷性。

  “目前還沒有相關權威機構公佈的測試數據,因此無法評論。不過,如果是好的產品,一定會有市場。”袁國輝表示,市場、時間會對產品作出最好的評判。

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