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既能超级快充又能超级续航?探究广汽石墨烯电池的虚实
线外邦 2234浏览 2021-01-22

撰稿人 | Koller

今年1月16日,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高的发言,引起了广泛轰动。一时间 “欧阳明高:电动车能跑1千公里几分钟充电,一定是骗人”的“骗子论”铺天盖地。

那么,几分钟充电,就能跑一千公里,目前能否能实现?今天就以广汽新能源的石墨烯电池技术为例,来详细讨论一下。

  欧阳明高被曲解的“骗子论”

其实细究欧阳明高的原话,并没有广泛炒作的“骗子”、“骗人”之类的字眼,媒体有曲解之嫌。

其完整原话是:“电池材料创新是厚积薄发的过程,是需要长期努力的。因为我们要平衡比能量、寿命、快充、安全、成本等相互矛盾的性能指标。它(们)是相互矛盾的,如果某一位说它(的车)既能跑1000公里,又能几分钟充完电,而且还特别地安全,而且成本还非常低,那大家不用相信,因为在目前这是不可能的。”

欧阳明高演讲的这份PPT资料原图,可以更准确的表达目前动力电池领域的发展现状。可以看到其中关键一句是:“电池材料创新要平衡比能量、寿命、快充、安全、成本等相互矛盾的性能指标,近年来尚无大突破”。

▲欧阳明高的报告PPT资料原图

那么广汽石墨烯电池宣传的既能超级续航,又能超级快充,是不是有误导和夸大之嫌呢?

  超级快充和超级续航,能够兼容?

从近期新能源车企推出的1000公里续航里程产品来看,其采用的动力电池技术大致有以下三种:

路线一:蔚来ET7(参数|询价)为代表的“无机预锂化碳硅负极”半固态电池(官方宣称其电池能量密度为360Wh/kg,量产交付时间为2022年第四季度);

路线二:以智己汽车为代表的“掺硅补锂”电池(官方宣称其拥有300wh/kg超高单体能量密度,并且承诺“永不自燃”,量产交付时间为2021年底,首款车型实现小批量交付);

路线三:广汽埃安的石墨烯基超级快充电池(官方宣称其电池能量密度为280wh/kg,量产交付时间为2021年9月,首款石墨烯电池版本的埃安V(参数|询价)实现交付)。 

上面三种技术路线里,只有广汽埃安的石墨烯电池,在超级续航的同时,同时提到了超级快充,以“充电像加油一样便捷”作为主要卖点,兼顾实现了“超级快充+超级续航“。因此,广汽的这款石墨烯电池,引起的关注和争议最大。

我们先来讨论一下超级快充,需要哪些条件?

  实现超级快充,需要什么条件?

石墨烯电池将率先搭载到埃安V上,而埃安V现有的锂电池容量为70度,理论续航为500公里,要达到1000公里,电池容量至少要达到140度以上(暂不考虑增加电池导致车身增重,导致百公里能耗增加)。

早在2017年,万向A123在美国注册其固态电池专利时,媒体就宣称其电池可以1分钟充满。我们先模拟一个极端情况,看看1分钟充满140度电,在理论上能否实现?

如果要1分钟充满电,在目前国标高压快充充电桩350V的标准电压下,需要140kW×60=8400kw的功率(60分钟=1小时,1分钟充满电,其功率要达到1小时充满电的60倍。目前民用的220V交流电(慢充)常见的也就支持7kW(最大也就是40kW的单枪),而380V工业三相电目前能承载的极限在120kW(视导线粗细决定)。

8400kW是个什么概念?按照三相电的功率换算方式“功率=1.732×电压×电流×功率因数”(阻性负载功率因数为1,感性负载功率因数为0.8,充电桩按前者考虑),简单计算可知,需要22045A的电流。

22045A的电流又意味着什么呢?用导电性能较好的铝锭来做充电桩导线的话,需要220.45×1000mm²=220450mm²=2204.5㎝²,用圆面积计算公式倒推(S=πr²),2204.5㎝²÷π,然后再开平方,计算出导线半径r≈26.5㎝,直径就是53cm(相当于街边一棵几十年树龄大树的粗细)。如果使用传输效率更高的铜制导线,电流载荷量提高一倍,充电桩导线的直径大概可以缩小到约一半(貌似也有一个大碗的口径)。

开个玩笑话,以目前已经大面积应用的技术来说,要1分钟充满电,可以说是要雷劈才能达到的效果。真正是“吹牛不怕雷劈”。

我们推算出1分钟充满电,需要的导线直径大约相当于一个碗或者一棵树(直径26-53cm)。忽略电压的话,按照比例粗略推算,8分钟充满电,需要在26-53cm直径的基础上乘以1/8,大约3.5-6.5厘米。从这个角度看,8分钟充满80%似乎是可行的。

另一个要考虑的问题是,要想在如此短的时间充这么多电,必须要用上直流超大功率充电桩,在这方面,目前市面上功率最大的特斯拉V3超充已经实现250kW的充电功率,而下一代V4将提升到350kW。同时我们必须看到,充电桩能力的提升速度非常快,早在2018年,国家电网充电设备招标标准就已经提出了DC500-950V、单元充电电流500A、功率475kW的采购要求。

广汽近期宣布石墨烯基快充电池以及硅负极电池即将投产之后,其高功率超级充电桩也已亮相,信息显示该充电桩采用DC1000V电压,电流600A,最大功率600kW,是特斯拉V3超充的两倍有余。 

如果Aion V(参数|询价)使用广汽自己的600kW高功率超级充电桩,能不能在8分钟内充满80%的电量呢?

很简单,600kW*8/60=80kWh,也就是说8分钟时间,用广汽自己的600kW充电桩,最多也就充进去80度的电量,只占总电量的57%(80度除以140度)。距离80%的目标还相距甚远。

那么,按照DC1000V的高压充电模式,需要怎样才能在8分钟充满80%呢?140*0.8*60/8=840,也就是说将充电桩功率提高到840kW(电流达到840A),理论上就能实现。

既然600kW充电桩都已经实现了,840kW还会远么?也许广汽埃安就是在等这个840kW的超级快充?

此外,600kW的超级充电桩已经落地了,导线的问题似乎也不用担心(从图片看其导线也并不是特别粗)。如果要达到840kW,导线粗细将在此基础上增加1/4到1/3。

可以做的一个初步判断是:即便是8分钟能够充满80%,那也是在极特殊的充电桩、变电站、电线线路等条件都满足的条件下,才能实现。但这些前提条件在现实中还没有得到解决。

  石墨烯电池技术,成本难以解决?

传统石墨的物理结构可以理解为由多层石墨烯构成,石墨此前在动力电池负极材料上有广泛应用。而此前几年被广泛宣传的石墨烯材料,从物理结构上来说是仅由一层碳原子构成的组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米薄片。只是由于技术原因难以从中剥离出单层的石墨烯材料。

▲石墨烯材料分子结构

举例来说,如果有1㎜的石墨,其对应了大约150万层的石墨烯。受制于提取这种纳米材料超高的技术难度,在2004年才由英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)制成。并以此获得了2010年诺贝尔物理学奖。

▲安德烈·盖姆(左)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(右)

石墨烯具有机械强度大、拉伸性能好、导电性能好(导电性能甚至强于金属中导电性能最好的银)、导热散热性能好(纯的无缺陷的单层石墨烯导热系数高达5300W/mK,导热性能不仅远超石墨,而且比金属中导热性能最好的银还要强10倍)等诸多优点。

广汽的3DG三维石墨烯是指具有三维多级孔结构的二维石墨烯组装体,该材料在能量存储、催化、散热等方面展现了明显的优势,不仅可以应用在快充锂离子电池、超级电容、锂硫电池等领域,还有望作为利用其拉伸性能好的特点应用于车身轻量化材料领域。

在动力电池中,石墨烯并非作为电芯中的正负极材料或者电解质,而是作为导电剂使用。利用其导电性能好的特点提升充电传输效率。早在2019年12月,就有媒体报道称华为将在未来推出的P40 Pro手机上采用石墨烯电池技术,有望成为全球首款投入产业化应用的石墨烯电池手机。当时华为法国官方Twitter账号转发了该消息,引发了国内石墨烯概念股的大涨。但在2020年10月华为P40系列手机正式上市后并没有搭载该技术。而阻碍其大规模应用推广的严重障碍还是成本太高。石墨烯目前在市场上1克售价甚至高达600元。每克单价甚至超过黄金,因此也被称为“黑金”。

此前,云杉智慧总裁徐征鹏在接受媒体采访时就曾表示,“无论是石墨烯在电池中作为主材料还是添加剂,都可以改善导电性能。假如动力电池将石墨烯作为负极主材料,电动车造价将非常高,假如用作添加剂,则勉强能接受其成本。”

不知道广汽的石墨烯基快充电池,是如何解决成本问题的。只能等待广汽官方在未来公布更多的相关技术细节。

  超级快充和超级续航,分属不同电池?

近日又有消息称,广汽的超级快充和超级续航,是分属两个电池项目。

但广汽的官方表态里,仍表示“石墨烯电池已经进入实车测试阶段“。其中”8分钟充电80%“、“续航1000公里“,是明确被写在一起的。超级快充和超级续航,这两个看似不可调和的矛盾,似乎已经被解决了。

无论从实现快充的条件,还是石墨烯的成本问题,目前都有不可逾越的障碍。广汽在面对质疑的时候,也应该袒露更多的技术细节,以回应公众的疑问。

但不管如何,9月份我们就能看到实车。是不是吹牛?到时候就可一见分晓。

『 写在最后 

从技术发展的历史经验来看,无论多么先进的前沿技术,在大规模投入应用前,都需要进行充分的试验验证保证其可靠性,然后才能推广。否则极有可能会出现安全隐患,伤害消费者的利益,也会对企业形象和口碑造成难以估量的负面影响。

但在技术上一向谨慎的车企,在互联网公司的影响下,现在也开始学会售卖“期货技术”,这种风气其实并不健康。我们既不希望车企在技术研发上停滞不前,更不希望如今的车企以卖“期货技术”为风潮,通过各种暂时不能落地的技术来抓眼球、提升关注度。从这一角度上说,欧阳明高院士所说的“近期有很多发布会都谈到电池创新,商业运作,当然不能过度,过度就变成炒作了”。这话没错!

当然,更希望广汽届时在交付石墨烯版本的AION V时,能实打实交出一份让市场满意的答卷。

 
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