解析石墨烯车用动力电池的续航能力怎么样？
来源：宝鄂实业
2019-03-31 11:55
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一种新的“黑科技”就是石墨烯技术，现已横空出世。据报道，利用石墨烯聚合材料生产出来的汽车电池，有望达到这样惊人的效果：只充电几分钟，就可以让汽车连续开行1000公里。这种技术在西班牙、韩国等地，都接近于实现突破。
据法国媒体消息，西班牙Graphenano公司(一家以工业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，用这种电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。
石墨烯是世界上最薄、最硬的材料，于2004年问世，其发现者英国曼彻斯特大学安德烈-海姆教授于2010年获得诺贝尔物理学奖。
石墨烯电池，利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新能源电池。
石墨烯电池的原理
石墨烯电池利用环境热量自行充电的试验。
石墨烯电池在饱和氯化铜溶液中，时间(小时、天数)和产生电压的关系。
实验制成电路其中包含LED，用电线连接到带状石墨烯。他们只是把石墨烯放在氯化铜(copper chloride)溶液中，进行观察。LED灯亮了。实际上，他们需要6个石墨烯电路，形成串联，这样就可产生所需的2V，使LED灯发亮，就可以得到这个图片。
徐子涵和同事说，这里发生情况就是铜离子具有双重正电荷，穿过溶液的速度约每秒300米，因为溶液在室温下的热能量。当离子猛烈撞入石墨烯带时，碰撞会产生足够的能量，使不在原位的电子离开石墨烯。电子有两种选择：可以离开石墨烯带，和铜离子结合，也可以穿过石墨烯，进入电路。
原来，流动的电子在石墨烯中更快，超过它穿过溶液的速度，所以电子自然会选择路径，穿过电路。正是这一点点亮了LED灯“释放的电子更倾向于穿过石墨烯表面，而不是进入电解液。设备就是这样产生电压的，”徐子涵说。
因此，这个装置产生的能量来自周围环境的热量。他们可以提高电流，只需加热溶液，也可用超声波加快铜离子。只依靠周围热量，就可以使他们的石墨烯电池持续运行20天。但是，还有一个重要的问号。另一个假设是某种化学反应产生电流，就像普通的电池。
然而，徐子涵和同事说，他们排除了这一点，因为进行了几组控制实验。然而，这些是在一些补充材料中介绍的，他们似乎并没有放在arXiv网站上。他们需要赶在别人做出严肃声明之前公开。从表面价值来看，这看起来是一项非常重要的成果。其他人也在石墨烯中产生过电流，但只是让水流过它，所以这并不真的使人吃惊，移动的离子也可以产生这样的效果。这预示着清洁的绿色电池，只依靠环境热量驱动。徐子涵和同事说：“这代表着一个巨大的突破，研究的是自驱动技术”。
但这仅仅是石墨烯的神奇应用之一。据称，石墨烯材料如果取代硅，有望让计算机处理器的运行速度快数百倍;石墨烯有望引发触摸屏和显示器产品的革命，制造出可折叠、伸缩的显示器件;石墨烯强度超出钢铁数十倍，有望被用于制造超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣等。
但这仅仅是石墨烯的神奇应用之一。据称，石墨烯材料如果取代硅，有望让计算机处理器的运行速度快数百倍;石墨烯有望引发触摸屏和显示器产品的革命，制造出可折叠、伸缩的显示器件;石墨烯强度超出钢铁数十倍，有望被用于制造超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣等。
石墨烯到底是什么东西?它其实是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。它是目前自然界最薄、强度最高的材料。
石墨烯电池应用的意义
该产品的研发成功，彻底打开了石墨烯在消费电子锂电池、动力锂电池以及储能领域锂电池的应用空间 。
电池循环寿命高达3500次左右，充电效率是普通充电产品的24倍。
石墨烯材料如果能成功的应用在锂离子电池中，可大幅度提升锂离子电池充放电速度。
该材料具有极佳的电化学储能特性，除了超快速充放电，它还可以循环充电5万次以上，有望为电池行业带来革命性变化。
石墨烯电池续航能力
衡量一款DC的续航能力到底有多强?日本“相机与影像产品协会CIPA”制定的数码相机电力测试标准，测试方法是开机之后每隔30秒拍摄一张，闪光灯每隔两张闪一次，每次拍摄前得先动一下伸缩镜头，液晶屏幕则保持开启，拍到10张之后开机，然后重新来过，一直到液晶屏幕无法开启或无法拍摄为止。如果产品说明上注明的是CIPA标准，这样的数字才有参考价值。而电池实际工作时间往往会随保存或使用的条件或环境有所改变，所以我们不要被这些数值所迷惑。
我们再来说说石墨烯用于导电剂的可能性，现在锂电常用的导电剂有导电炭黑、乙炔黑、科琴黑，SuperP等，现在也有电池厂家在动力电池上开始使用碳纤维(VGCF)和碳纳米管(CNT)作为导电剂。
石墨烯用作导电剂的原理是其二维高比表面积的特殊结构所带来的优异的电子传输能力。从目前积累的测试数据来看，VGCF、CNT以及石墨烯在倍率性能方面都比SuperP都有一定提高，但这三者之间在电化学性能提升程度上的差异很小，石墨烯并未显示出明显的优势。
那么，添加石墨烯有可能让电极材料性能爆发吗？答案是否定的。以iPhone手机电池为例，其电池容量的提升主要是由于LCO工作电压提升的结果，将上限充电电压从4.2V提升到目前i-Phone6上的4.35V，使得LCO的容量从145mAh/g逐步提高到160-170mAh/g(高压LCO必须经过体相掺杂和表面包覆等改性措施)，这些提高都跟石墨烯无关。
也就是说，如果你用了截止电压4.35V容量170mAh/g的高压钴酸锂，你加多少石墨烯都不可能把钴酸锂的容量提高到180mAh/g，更别说动不动就提高几倍容量的所谓“石墨烯电池”了。添加石墨烯有可能提高电池循环寿命吗？这也是不可能的。石墨烯的比表面积比CNT更大，添加在负极只能形成更多的SEI而消耗锂离子，所以CNT和石墨烯一般只能添加在正极用来改善倍率和低温性能。
但是，石墨烯表面丰富的官能团就是石墨烯表面的小伤口，添加过多不仅会降低电池能量密度，而且会增加电解液吸液量，另外一方面还会增加与电解液的副反应而影响循环性，甚至有可能带来安全性问题。那么成本方面呢？目前石墨烯的生产成本极其昂贵，而市场上所谓的廉价“石墨烯”产品基本上都是氧化石墨烯。
即便是氧化石墨烯成本也高于CNT，而CNT的成本又比VGCF高。而且在分散性和加工性方面，VGCF比CNT和石墨烯更容易操作，这正是为什么昭和电工的VGCF正逐渐打入动力电池市场的主要原因。可见石墨烯在用作导电添加剂方面，目前跟CNT和VGCF在性价比方面并没有优势可言。
当前国内石墨烯的火热形势，让笔者联想到了十几年前的碳纳米管(CNT)。如果对比石墨烯和CNT，我们就会发现这两者有着惊人的相似之处，都具有很多几乎完全一样的“奇特的性能”，当年CNT的这些“神奇的性能”现在是完全套用在了石墨烯身上。CNT是在上世纪末开始在国际上火热起来的，2000-2005年之间达到高潮。CNT据说功能非常之多，在锂电领域也有很多“独特性能”。
但是二十多年过去了，至今也没看到CNT的这些“奇特的性能”在什么领域有实实在在的规模化应用。在锂电方面，CNT也仅仅是用作正极导电剂这两年在LFP动力电池里面开始了小规模的试用(性价比仍不及VGCF)，而LFP动力电池已经注定不可能成为电动汽车主流技术路线。
相比于CNT，石墨烯在电化学性能方面与之非常相似并无任何特殊之处，反倒是生产成本更高，生产过程对环境污染更加严重，实际操作和加工性能更加困难。根据自己多年的锂电研发和生产经验，笔者并不认为石墨烯会在锂离子电池领域有多少实际应用价值，当前所谓的“石墨烯电池”纯属炒作。对比CNT和石墨烯，笔者要说的是“历史总是何其相似”！
