石墨烯電池大規模商用的時間近了嗎?

作者 | 發布日期 2015 年 12 月 04 日 9:33 | 分類 手機 , 零組件 , 電池 follow us in feedly

華為 Mate 8 發表會開始前,微博上就出現了這樣一條預告——華為 Mate 8 將使用石墨烯電池。緊接著「石墨烯電池已經研發成功,並且已經商用化應用在華為 Mate 8 智慧手機上了」的消息,在網路上不脛而走——在 Mate 8 發表前釋放半真半假的消息,以猶抱琵琶半遮面的形式使華為 Mate 8 手機也隨著石墨烯電池消息的傳播而備受關注。



然而,我們都知道,實上 Mate 8 並沒有採用石墨烯電池(原因下文會提到),但是這也給了我一個聊一聊石墨烯電池的機會。

 

石墨烯電池並非顛覆性革命

所謂石墨烯電池並非整個電池都用石墨烯材料製作,而是在電池的電極使用石墨烯材料。

石墨是目前鋰離子電池中最常用的負極材料,充電時,Li 嵌入到石墨層間形成插層化合物,Li 完全嵌入時,每個石墨層都嵌入一層 Li,對應化合物 LiC6,理論比容量為 372mAh/g。當每片單層石墨都以雜亂無章的方式排列,則在單層石墨的兩側表面都可以結合 Li,理論比容量提高了一倍,即 744mAh/g。由於石墨烯的缺陷位、片層邊緣及石墨烯堆積形成的微孔結構都可以儲存 Li。因此,在理論上石墨烯電極可能有超過石墨兩倍的比容量。

如果將石墨烯和 SnO2,Mn3O4,CuO 等電導率比較低的正極、負極奈米材料進行複合,如 Li4Ti5O12、TiO2、LiFePO等,就能提高鋰離子電池的迴圈性能。中科院金屬研究所在 PNAS 發表論文,將正極材料 LiFePO和負極材料 Li4Ti5O12 分別與石墨烯複合,製備了 LiFePO4– 石墨烯 / Li4Ti5O12– 石墨烯為電極的具有高充放電速率的柔性鋰離子電池,石墨烯做為鋰離子及電子的通路,同時發揮導電添加劑和集流體的作用。

雷鋒網配圖

▲ 複合電極材料結構圖。

另外,如果將石墨烯和炭黑混合後做為導電添加劑加入鋰電池,可以有效降低電池內阻,提升電池倍率充放電性能和迴圈壽命,而且電池的彎折對充放電性能沒有影響。

因此,電極採用石墨烯材料後,使電池具備高充放電速率是石墨烯電池具備快速充電的原因,相對於華為、高通、步步高透過大電流密度下充放電實現快速充電的做法,採用石墨烯電極材料實現快速充電並不會像前者那樣削減電池壽命。因為石墨烯電池中的儲能物質依舊是鋰離子,所以石墨烯電池並非像網路流傳的那樣是對鋰電池的顛覆。

那麼,Mate 8 說採用石墨烯電池是怎麼回事?

 

Mate 8 並未採用石墨烯電池

在市場壓力之下,華為的轉型做得徹底,也最有效率——透過線上搶購、建立粉絲團等手法,使華為的網路關注度不斷提升,「花粉」在網路上更是形成了不亞於「米粉」的傳播能力,華為歷次新品發表中都少不了花粉和網路行銷公司的身影——在正反兩方的爭論中吸引流量和人氣,使華為獲得日常無法企及的關注度。

本次微博上流傳出華為 Mate 8 將使用石墨烯電池的消息,就是華為典型的網路行銷案例——透過自媒體的虛假消息成功使 Mate 8 還未發表就獲得非常大的輿論關注度。

而最好的證據就是華為和曼徹斯特大學關於石墨烯技術的合作著眼於通信領域,而非石墨烯電池。而餘承東在兩個多小時的發表會上對石墨烯電池隻字不提,更證明了 Mate 8 並沒有採用石墨烯技術,否則以餘承東以往的言行,自然不會放過這麼好的行銷點。

 

華為快充技術的廬山真面目

既然華為 Mate 8 並沒有採用石墨烯技術,發表會上的快速充電又是怎麼回事呢?

雷鋒網配圖

據相關資訊了解到,華為 Mate 8 採用的是改良的聚合物技術,電芯源自 Sony 和 ATL,封裝是飛毛腿和欣旺達,快速充電晶片購買自德州儀器,充電協定是華為自家的。在解釋華為快速充電技術前,先介紹高通和步步高的快速充電技術。

早先的鋰電池,大電流密度下充放電對電池壽命損失很大。近年來,雖然鋰電池的能量密度提升有限,但在相同壽命的情況下,大電流密度下充電提升了不少。

高通的 Quick Charge 充電採用調整充電器的輸出電壓,使之獲得設備允許的安全最高充電電壓,在保護充電設備的前提下節省充電時間。

比如原來用的電壓和電流為 5V、1A/2A,但高通 QC 快速充電用電壓和電流為 9V、2A/12V 、1.67A,因為功率變大了,充電速度自然變快了。

而步步高的 VOOC 快速則是採用加大電流的辦法,雖然電壓依舊是 5V,但電流提升到 5A,功率提升後充電自然變快。

華為的做法和高通類似,電壓和電流分別採用 9V、2A,而 Mate 8 快速充電的奧妙就在於此。相對於步步高的 VOOC,高通的 QC 和華為的快速充電具有成本更低的優勢,因 micro USB 只能夠承受 2A  的電流,所以充電介面和主機板線路都要進行改造,還使用了並聯電池,成本會因此有所提升。

相對於提升電壓或電流的做法,石墨烯電池的快速充電就更有技術美感。

 

石墨烯電池離大規模商用尚需時日

石墨烯電池技術前景到底如何還是值得商榷的——墨西科技已經將石墨烯的製造成本從每克 5,000 元降至每克不足 3 元,並開發出石墨烯導電漿料和導電添加劑等用於鋰電池和超級電容器的產品,而且使用石墨烯電池的手機早已問世。

今年上市的一款名為「開拓者 α」的手機,就採用由中國科學院重慶綠色智慧技術研究院和中國科學院寧波材料技術與工程研究所開發的石墨烯觸控式螢幕、電池和導熱膜等新材料,手機觸控螢幕不偏色不泛黃,色彩真實、純淨,通透性也比傳統螢幕好,手機充電速率提高了 40%,電池壽命延長了 50%,電池的能量密度也增加 10%。

雷鋒網配圖

▲ 採用石墨烯技術的手機。

從中可以看出,採用石墨烯材料的電極雖然大幅提升了電池壽命和電池充電速度,但因石墨烯材料本身具有的高比表面積等性質,與現在的鋰離子電池工業的技術體系無法相容,能量密度並沒有實現理論上的翻倍,僅僅提升了 10%。

在採用石墨烯技術後,「開拓者 α」手機的價格更是「感人」,以至於毫無性價比可言——採用 5.5 英吋 1080p 螢幕,搭載驍龍 64 位元四核心處理器,內建 2GB RAM+16GB ROM 儲存組合,前置 500 萬 + 後置 800 萬畫素鏡頭,支援中國移動 4G 網路——雖然石墨烯原材料的製造成本不高,但技術應用的成本著實不低,以至於開拓者 α 相當於千元機的配置,售價卻高達 2,499 元人民幣。

因此,雖然石墨烯電池的能量密度在理論上能得到大幅提升,但以現今的技術水準,實際應用中能量密度提升非常有限。網路上流傳的關於「石墨烯電池充電 10 分鐘跑 1,000 公里;採用石墨烯電極的新型電池的比功率為 100kW/kg,比商業鋰離子電池高 100 倍。」以當今的技術水準而言,這些神乎其技的描述還只能存在於理論上,其噱頭意義遠大於實用價值。這些說法在網路上能夠廣為流傳,更多的是一些企業以石墨烯為噱頭進行炒作提升股價或是從事資本運作,而中國真正從事石墨烯行業的和科研機構目前大多處於巨額投資的燒錢過程中,還遠遠未到技術成熟到可以大規模商業應用的階段。

 

結語

從現今石墨烯技術的實際應用來看,採用石墨烯材料的電極確實能提升鋰電池的充放電速率和鋰電池的壽命,但對大幅提升電池的能量密度還力有未逮。而相對較高的成本和相對有限的性能提升,會使搭載石墨烯電池的手機缺乏市場競爭力。因此,以現階段的技術水準來看,除非整機製造商良心發現,手機普遍採用石墨烯電池尚需時日。

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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