我們離石墨烯電池時代還有多遠?

作者 | 發布日期 2019 年 12 月 31 日 8:30 | 分類 尖端科技 , 材料 , 電池 follow us in feedly


前幾天華為法國分公司在 Twitter 發推文,說明年上半年發表的華為 P40 系列手機將使用石墨烯電池。

消息一出,整個網路掀起一波石墨烯浪潮,大家紛紛討論使用石墨烯電池的手機續航如何強大,石墨烯概念股也一片紅,整個電子業似乎打了興奮劑,所有人都在期待石墨烯時代到來。

但幾小時後華為中國就潑了一盆冷水:「之前華為法國官推發表消息有誤,P40 並沒有搭載石墨烯電池」。雖然證實是假新聞,但石墨烯電池也不是編出來的概念名詞,而是大部分電池能源公司努力的方向。

從 1884 年第一輛實用電動車開始,人們就一直為提高電池容量不懈努力,但從科技樹時間線來看,電池技術一直比其他技術發展更慢。智慧手機出現後,電池續航時間不足對手機的影響愈發明顯,一塊行動電源,成了所有手機用戶的包袱。

為了保障用戶的正常使用體驗,電池廠商也一直改良鋰電池的製程,但電池材料改良的速度遠低於其他元件功耗上升的速度。手機厚度、效能、續航成了不可解決的三元悖論,得到其中兩項就必須捨棄一項。

提升鋰電池能量密度的利器

好在石墨烯材料橫空出世,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,成功實驗用膠帶從石墨分離出石墨烯,證實這種萬能材料的存在,兩人也因此獲得 2010 年諾貝爾物理學獎,可見石墨烯對世界的重要性。

狹義來說,石墨烯是碳原子以 sp2 雜化軌道呈蜂巢晶格排列構成的單層二維晶體,廣義來說,10 層內的石墨結構也可稱為石墨烯。這種材料是目前已知世界最薄的材料,單層厚度僅 0.34 奈米。

石墨烯不僅是世界最堅硬、導熱系數最高的材料,也是電阻最小的材料,在常溫下電子遷移率超過 15,000cm2/V·s,是理想的電池材料。

目前石墨烯電池技術有兩大方向,一是當陽極鑲嵌鋰離子,另一種是當導電劑,當電極材料可算是傳統鋰電池的改良版。傳統鋰電池一直採用多層石墨為鑲嵌結構,如果將石墨分成單層結構(石墨烯),當作陽極的鋰電池理論容量將是傳統鋰電池容量 2 倍以上(>744mAh·g -1)。

對手機電池來說,這樣的電池近乎夢幻般的存在。試想一下,如果你的手機可 3 天充電一次,手機功能將會發生怎樣的變化。

電池快充技術的究極方案

石墨烯對鋰電池的重要性還不僅如此,石墨烯為目前導熱率最高的材料,如果使用石墨烯幫鋰電池散熱,鋰電池的快充速度能再提升一階。之前在 2015 年第 56 屆日本電池大會,華為就拿出使用石墨烯為鋰電池散熱的技術,展示 5 分鐘即可充滿 3,000mAh 電池 48% 電量的快充技術成果。

▲ 華為的石墨烯電池技術。(Source:華為)

如果將石墨烯散熱與石墨烯當電池正極的技術相結合,鋰電池的容量和充電速度將同時提升。

2017 年,三星就宣布開發出採用石墨烯技術的電池。三星展示時採用石墨烯技術的手機電池容量提升了 45%,同時還 12 分鐘內充滿電,強大的電池效能,讓人看到石墨烯電池在電子產品的潛力。

電動車續航體驗的拯救者

期待石墨烯電池的不僅手機廠商,還有為續航里程困擾的新能源車企,即使採用三元鋰電池的特斯拉,也無法做到與燃油車媲美的使用體驗,但石墨烯可以改變這種尷尬的局面。2014 年名為 Graphenano 的西班牙石墨烯創業公司,與科爾瓦多大學合作研究全球首個石墨烯聚合材料電池,用此電池提供電力的電動車最多能行駛 1,000 公里,充電時間不到 8 分鐘,可見石墨烯對電池容量和充電速度提升有多大。

如果未來電動車都使用 10 分鐘就能充滿電的石墨烯電池,電動車續航難題將不復存在,快充電站將取代加油站。如果車主下車上個廁所就能充滿電,那麼電動車將和燃油車一樣方便。

仍在產業化路上的技術

不管從哪方面來看,石墨烯都是鋰電池突破關鍵的所在。但石墨烯身為新型材料,還是太年輕了些。每當人類發現一種新材料,總要按照原理研究→實驗室生產→規模化生產→產品流程進行。

材料學不同其他學科,從原理到產品都有漫長實驗週期。從目前石墨烯製造和應用程度來看,還處於早期階段,雖然 2018 年全球石墨烯市場規模已達 2.73 億美元,年均增速也保持 40% 高速增長,但大部分生產石墨烯的企業都沒有掌握大規模量產石墨烯的技術,生產的高純度石墨烯材料售價每克都在千元以上。

這樣昂貴的材料,最多實驗室研究時才能出現,如果想商業化,不說技術和產量夠不夠,光價格恐怕都自動買單。石墨烯這種尚在產業化前期的技術,恐怕還要 3~5 年才可能出現在電子產品。

現在嚷嚷著石墨烯馬上能就改變世界的人,想必沒幾個人會信了。

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:shutterstock)

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