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石墨烯的瓜,你们吃够了么?
极客汽车 2487浏览 2021-01-22

2021 年才过了三周,电动车品牌间的电池大战就升级了。先是智己品牌用掺硅补锂技术给出了 1000 公里+续航;蔚来也不甘落后,用半固态电池给出了 1000 公里+续航;广汽更是抛出了「石墨烯」概念,写出了「8 分钟充满 80%,1000km 续航」这样炸的宣传语。

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高续航、快速充电、安全低成本的效果宣传引起了动力电池领域权威、中科院院士欧阳明高的质疑。在专家的质疑和媒体的争相报道下,广汽埃安给出了解释,其实这次发布的是 两个产品 :

  • 石墨烯基超级快充电池 ,实现 8 分钟充电 80%,搭载于 Aion V(参数|询价) 上,今年 9 月投产;

  • 硅负极电池 ,实现 NEDC 续航 1000km,搭载于 Aion LX(参数|询价) 车型,将于年内投产。

在智己和蔚来的铺垫下,1000km 续航已经「吓」不到大家了;而广汽之所以能引起这么大的关注和争议,不仅是因为直击了用户对快充的需求,更多的是因为抬出了「石墨烯」这个超级大噱头。

石墨烯,到底是黑科技? 还是智商税?

自从 2004 年石墨烯被物理学家从实验室中成功的分离出来后,就一直备受关注。打开橙色软件一搜,「石墨烯竹炭」「石墨烯内衣」「石墨烯电暖器」,大有万物皆可石墨烯的意思,一时间,石墨烯几乎成了智商税的代名词。

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以至于大家看到广汽这次的新闻,第一反应是:「石墨烯究竟是什么?这是不是智商税?」

从名字就能看出,石墨烯的起点就是我们常用的铅笔芯原材料——石墨。

石墨由一层层的片层结构组成,从中剥离出最小的一层,这个单层碳原子晶格结构的材料就叫石墨烯;而层层石墨烯平行堆叠起来,就变回了石墨。

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(石墨的结构)

因为是由单层原子构成,石墨烯非常薄,透光率 97.7%,别说肉眼,就算在显微镜下观察也不容易。

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(这满页的铅笔痕,可能有几十到上百层的石墨烯)

我们可以把单片石墨烯想象成无限缩小的半透明渔网,在它上边,电子能进行异常迅速的平面运动,就像一个导电网。因此这个「二维材料」有非常好的导电性、导热性,电子迁移是目前常用的硅材料的 10 倍,而且几乎不受温度变化的影响。

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(微观下像渔网一样超薄的石墨烯)

正是因为这些特性,石墨烯一出世,就跟动力电池扯上了千丝万缕的关系。世界各顶尖科研机构和公司,也频频传出石墨烯提升电池性能的研究进展:

2011 年,美国西北大学研究发现,石墨烯作为电池阳极材料能大大提高储能和充电速率。

2011 年,莱斯大学发现,石墨烯混合物制成的电池能够 20s 内充满电池容量的 90%,且性能长时间稳定,经得起 1000 次循环利用实验的验证。

2014 年,西班牙 Graphenano 公司宣称研制出了石墨烯电池,「充电 10 分钟跑 1000 公里」。

2016 年,浙江大学高超教授团队研究出高性能铝-石墨烯电池,可实现 7.2 秒充满电。

……

目前锂电池的结构和性能都已经趋于成熟,很难再做出性能上的突破。因此每一次关于石墨烯电池的新进展都带来了无限期望,石墨烯被看作是提升电池性能的救命稻草,然而产品化的道路没有那么平坦。

石墨烯电池——理想很丰满,现实很骨感

虽然石墨烯在电池中的超能力已经得到了实验室的证实,各汽车品牌也都陆续传出过研发石墨烯电池的消息,比如西班牙 Graphenano 公司、特斯拉、英国超跑公司 Briggs……然而都仅停留在 PPT 阶段,最后以不了了之收场。

就像前边说的,石墨烯逆天的特性得益于它超薄的结构和巨大的「比表面积」,但单层石墨烯还停留在实验室阶段,大规模制备的多层石墨烯性能必然会打折扣。如何量产层数少的石墨烯,如何让多层石墨烯保留超高性能,何如避免石墨烯跟其他材料接触面积过大造成的性质改变……. 都是石墨烯在量产和使用时的难点。

正因如此,到目前为止,在市场上还见不到以石墨烯作为电池主要材料的产品。既然成本高、制备困难,那使用较少的的石墨烯,将它作为辅助添加剂,就成了退而求其次的选择。这次广汽的「石墨烯基电池」也是如此。

「石墨烯基电池」 ≠「石墨烯电池」

「石墨烯基电池」与「石墨烯电池」,一字之差,两者从技术到性能上都差的不是一点点。

广汽这次的「石墨烯基电池」,是将石墨烯作为导电剂,少量加入锂电池的正极,用量非常少(不超过 4%)。本质上,这还是我们熟悉的锂电池,石墨烯只是个添加剂。

如此小的用量,石墨烯对电池能量密度的影响微乎其微,也没办法在大家最关心的续航里程上实现质的突破。不过石墨烯超高的电子迁移率还是能达到快充效果的。

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(图片来源:东兴证券)

石墨烯导电剂,新瓶装旧酒?

将石墨烯作为锂电池的导电剂,来实现快充,广汽并不是第一家。

早在 2016 年,作为当时国内石墨烯领域的龙头,东旭光电就推出了 世界首款石墨烯基锂电池产品——「烯王」。这个充电宝就是以石墨烯作为导电剂,实现 15 分钟快速充电 5000mAh。与这次的广汽类似,当时这个产品的推出,也将东旭光电的股价在 2016 年短暂地推上了峰值。

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然而短暂高峰之后,就是一路走低。这是因为当时石墨烯制备价格很高,原材料和生产导电剂的成本都相应提高;相对地,市场对快充充电宝也没有那么大的需求。

试想,既然充电宝能做成快充,那我为什么不直接买个快充手机?果然,随后小米 10 至尊版等手机中,都搭载了石墨烯导电剂的锂电池,可以 120W 超级秒冲。

石墨烯导电剂在移动电源和手机电池产品里都早就应用,广汽这次把它搬到电动车上,有点新瓶装旧酒的意思。 那这个「新瓶」跟之前有什么不同呢?

  1. 有了「烯王」这个前车之鉴,广汽在石墨烯成本控制上是做了准备的。去年 7 月,广汽就在科技日上公布了 具有独立自主知识产权的 3DG 石墨烯制备技术 ,据说成本可降至常规制备的 1/10;2020 年 9 月广汽集团内部孵化的广州巨湾技研有限公司注册成立,专门开拓石墨烯在超级快充电池、超级电容器等领域的应用。导电剂成本仅占锂电池的 2%左右(方正证券数据),再加上自产自研原材料做后盾,广汽研发石墨烯基电池的确有点优势。

  2. 其次,相比于充电宝和手机,消费者对电动车快充的需求明显更迫切。补能焦虑一直困扰电动车用户,如果有一个技术能做到像燃油车加油一样几分钟充好电,相信不少消费者会愿意为了这项技术买单。

但是对于广汽这次的快充技术,我们的期待还是有所保留的。

毕竟电动车的电池相比于手机电池,体量大的不是一点点,内部结构的复杂程度和对安全性、散热功能的要求也更高。石墨烯基锂电池是否真的能做到「8 分钟充电 80%」,还要等产品出来后再看效果。

另外,电动车的快充不是电池单方面的作用,需要电池与充电桩、电网共同配合。参考目前市面上充电效率最高的特斯拉 V3 超级快充,充电峰值功率为 250kW,特斯拉也在充电站采取了 V3 与 V2 混合布置,来减少过大负载。通过目前曝光的广汽埃安高功率超级快充桩图可以看到,最大功率可达 600kW,是特斯拉的两倍有余。

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要知道,一个中型小区的电网功率也就 1000~2000kW。广汽埃安这么大的峰值功率对电网负荷、安全性以及散热装置的挑战,都让我们对这个充电桩进入市场的前景打上了问号: 如果找不到充电桩,快充怎么用?

最后

「8 分钟充电 80%,1000 公里续航」的口号虽然诱人,但从广汽这次发布的信息来看,真实效果如何还有待商榷;石墨烯在电动车上的应用,也还在尝试的阶段。

向下游看,目前行业内石墨烯的主要供应商天奈科技、道氏技术等,也主要是针对石墨烯导电剂、碳纳米管导电剂等产品,大家期待的 真·石墨烯电池 ,可能还有很长的路要走。

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