性能相当于充电宝?首款石墨烯基锂离子电池“烯王”遭质疑

7月9日,东旭光电公司宣称,推出了世界首款石墨烯基锂离子电池产品——“烯王”。东旭光电方面称,通过测试,“烯王”充电用时15分钟,其充电效率是普通充电产品的24倍,可在-30℃—80℃环境下工作,循环寿命高达3500次左右。

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“‘烯王’的落地开启了石墨烯在能源领域的应用时代。”东旭光电投资负责人、上海碳源汇谷董事长王忠辉表示:“该石墨烯技术是石墨烯在锂电池应用史上的一次革命性突破,是石墨烯业界翘首以盼的真正的杀手级应用。”

消息一出,很快资本市场的一些“猎手们”声称,“烯王”的问世标志着中国诞生了真正意义上的石墨烯电池,代表着我国在石墨烯技术上已领先于世界别国,将带来整个电池产业的变革。

关于石墨烯电池,“给智能手机充满电只要几秒钟,新能源车一次充电8分钟,可行驶1000公里……”近些年,在很多文章以及演讲场合中,人们时常可以听到这样的说法。

在全世界范围内,这些年新能源汽车发展迅速,但目前,好的电动汽车充一次电至少需花2个小时,大约可跑300公里,而这已经是极高的效率了,更多的电动汽车充一次电则需要花3-4个小时甚至是更多的时间。石墨烯电池概念的出现,让很多人看到了希望。因此有关石墨烯电池的任何风吹草动,都会在市场上引起很大的风浪。“烯王”落地,东旭光电的股价立刻就开启暴涨模式,一周涨幅曾达40%。数据显示,东旭光电在近20日的股价涨达60%左右。

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1、目前制备石墨烯极其困难是学界共识

在回答这个问题之前,我们先来看看究竟什么是石墨烯。2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈?盖姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫从石墨薄片中剥离出了石墨烯,他们二人因此荣获2010年诺贝尔物理学奖。这里的石墨烯,是由单层碳原子层构成的蜂窝状晶格二维原子晶体,理论厚度仅为0.34纳米,其具有优异的电学、热传导、阻隔性等材料性能,因此其在电池领域的应用被很多人看好,称之为“材料之王”。

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英国曼彻斯特大学的安德烈?盖姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫从石墨薄片中剥离出了石墨烯,他们二人因此荣获2010年诺贝尔物理学奖

但实际上,学术界一直对石墨烯有个共同的看法,即目前制造石墨烯的成本过高并且技术方面并不完善,若要实现工业化应用现在还存在很大的困难。

比如要想获得电学和机械性能都最佳的石墨烯样品,依然需要依靠最费时费力费钱的手段——机械剥离法,即用胶带粘到石墨上,手工把石墨烯离析出来。2004年诺沃肖洛夫他们就是这么制备出石墨烯的。尽管所需的设备和技术含量看起来都很低,但问题是成功率更低,弄点儿样品做研究还可以,要是进行工业化生产,这样的手段毫无用途,就是掌握了全世界的石墨矿也没有任何商业价值。

2、号称能量产的多为石墨微片或畸形圆环,并非真正的石墨烯

经过这些年的努力,尽管科学家们找到了一些能够增加产量、又能够降低成本的石墨烯制造方法,但是迄今为止还没有真的能适合工业化低成本大规模推广生产的技术。一些厂家宣称可以量产百吨级别的石墨烯,其实量产出来的根本就不是真正的石墨烯物质。得到的除了单层的石墨烯,还有两层的、三层的甚至更多层数的石墨微片。

在另外一个方面,就是用一些新的生产方法得到大量的单层的石墨烯,虽然一片石墨烯的中央部分是完美的六元环,但在边缘部分往往会被打乱,成为五元环或七元环。如果制成石墨烯产品,这些畸形环不但分布在边缘,还存在于每“一片”在做出来的石墨烯内部,成为结构弱点、容易断裂。

中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员高鸿钧说,在实际应用中,只有没有任何缺陷的石墨烯才具备强大特性。否则,整个石墨烯产品的强度要被大幅削弱。而事实上,也正是这样的障碍,真正意义上的石墨烯电池大规模商业化生产目前为时尚早。

北京有色金属研究总院高级工程师、清华大学博士刘冠伟在接受北京科技报采访时表示,即便是现在有企业宣称有新的石墨烯产品问世了,石墨烯在这种产品中也多是扮演添加剂的角色,其在电池领域也不例外。

上海交通大学微纳科学与技术研究院研究员、博士生导师魏良明主要从事新一代高性能锂离子电池/超级电容器以及传感器的研究,他说,现在石墨烯作为单一的产品还未有应用突破,在东旭光电宣称的世界首款石墨烯基锂离子电池产品中,石墨烯在其中仅仅是导电或者是电极嵌锂的复合材料。

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电子显微镜观测下的石墨烯单层碳原子结构

3、东旭光电公布的“烯王”参数真实性有待检测

石墨烯电池又被称之为超级电池,按照一些科学家们的设想,其应该是利用石墨烯材料打造的全新形态的电池。但是因为技术实现的困难,目前国际上并没有取得太大的进展。这些年中国也并没有从全新体系下研发石墨烯电池,目前主流的设想是利用石墨烯改造现有的锂电子电池,东旭光电推出的“烯王”也是这种思路下的产物。

正如专家所分析的,为了避免外界的非议和质疑,东旭光电自身的确没有将“烯王”直接称之为石墨烯电池,市场上盛传的概念主要是来自资本市场及外界的炒作。

尽管东旭光电方面也公布了“烯王”的一些参数。但是有业界人士表示,参数的真实性还有待检测。中国科学院物理研究所固态离子学课题组组长黄学杰教授说,电池电性能主要有:比能量、能量密度、充放电倍率、循环寿命、日历寿命、安全性、自放电率、工作温度范围等,可以根据不同的应用需求进行设计。而东旭光电在发布会上只提到了充放电倍率、寿命、工作温度范围等三个参数,这种单独提出几个参数的讨论方法一般适用于科研论文,如果作为产品,就必须就电池性能的所有参数展开讨论。

“由于他们公布的参数不全,电池的能量密度究竟是多少,还无法判断,电池的性能究竟怎么样目前也不好做出评价。”刘冠伟表示。

在一些研究石墨烯的行业人士看来,“烯王”这样的石墨烯基锂电池实际上就类似于一个充电宝,或许能提高充放电速度,但对于电池的容量并没有什么改观。并没有取得革命性的突破。

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4、严谨的研究机构发表论文时不敢轻言”石墨烯电池”

中国科学院物理研究所固态离子学课题组组长黄学杰教授认为,目前在正极里添加少量石墨烯可以增加正极的电子电导而改善电池的放电倍率特性,但一般添加量不到百分之一,不能说加了一点石墨烯的锂离子电池就变成了石墨烯电池。

更何况目前的石墨烯电池只是被添加了一些被称之为多层石墨烯的石墨片层成分而已。从理论上而言,单层石墨烯导电性最好,用于电池充电时间短,而层数越多导电性越差,用于电池充电时间越长。目前几乎没有企业敢声称自己是使用单层石墨烯造出了电池,更多的使用的只是石墨烯的混合物,确切地说是含有少量石墨烯成分的细小的多层石墨微片。

就是一些严谨的研究机构在发表权威论文时也不敢轻易用石墨烯电池的说法。2015年12月中旬,中科院上海硅酸盐所的研究团队在《科学》上发文指出,其研制出一种高性能超级电容器电极材料,一些媒体盛赞:“该材料具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的‘超强电池’,这种电池的最大亮点就是充电7分钟,行驶35公里。”而后石墨烯电池概念被爆炒。但上海硅酸盐所的官方网站给出的消息是:“中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄富强带领的研究团队与北京大学、美国宾夕法尼亚大学的科研人员合作,合成了一种有序介孔(中孔之意)少层碳的新型材料。”并且《科学》杂志上的这篇论文也没有提到石墨烯,而是碳材料。

据了解,黄富强在投稿过程中一直采用“介孔石墨烯”的名称,最后出版时改用少层碳。他们认为,外界将其超级电容器称作电池也不妥当。事实上,超级电容器确实并非电池,而是介于二次电池和传统电容器之间的一种电化学储能装置。但是现在人常常混淆电容器与电池的概念,把现在利用石墨烯或者石墨多层微片制造的电容器当成了电池,国内外制造的超级电容器当成了超级电池。

5、炒作”石墨烯电池”概念其噱头意义远大于实用价值

在学术界看来,目前所热炒的石墨烯电池还是一个伪概念,目前所标榜的石墨烯电池并不存在。中国有数十家上市公司布局石墨烯动力电池领域,然而真正拿得出可以大规模量产装机产品的几乎没有。并且就是在世界范围内,目前能够规模化生产的石墨烯电池也没有。

在刘冠伟看来,现在很多公司炒作这个概念其噱头意义远大于实用价值。他甚至表示,石墨烯材料本身具有的纳米材料的高比表面积等性质与现在的锂离子电池工业的技术体系也不兼容,因此应用的希望十分渺茫。

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即使有石墨烯超级电池出现,相信这几分钟的充电功率会大到目前没有任何电压设备、电缆线能够承受住如此电压

据不完全统计,目前全球已有近300家公司涉足石墨烯研究,包括IBM、英特尔、美国晟碟、陶氏化学、通用、杜邦等。其中,三星、IBM、东芝、韩国科学技术研究所、韩国成均馆大学等企业和高校具有较高竞争力。但是大部分企业并没有在石墨烯电池领域予以布局,相关的专利也十分有限,他们大都布局在柔性器件半导体显示屏等方面。

刘冠伟认为,在实验室做出一个快充的小电池很容易,但是要让它走出实验室,实现工业化生产,中间需要解决很多的问题。例如对于“充电8分钟,行驶1000公里”的描述。某不愿具名的国内新能源车企技术总监认为,即使有这样的电池出现,相信这几分钟的充电功率会大到目前没有任何电压设备、电缆线能够承受住如此电压。

因此,目前石墨烯在电池上的应用,主要是和硅结合在电池负极里面代替原来的石墨,这样可以多吸带电荷,提升电池的导电率,减少充放电的电阻,性能提升效果也就仅限如此。事实上,在新能源电池领域,石墨烯电池所谓的颠覆性理论从未得到业内人士的认可。尽管石墨烯可以做导电剂,促进锂电池快速充放,理论上能提高倍率性能,但若分散工艺不到位,混料不均,仍难以发挥效用。

根据目前的发展态势,刘冠伟认为在新型柔性电池、器件、显示、催化剂方面,石墨烯可能是有前景的。但是在蓄电池方面,他并不看好。

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即使有石墨烯超级电池出现,相信这几分钟的充电功率会大到目前没有任何电压设备、电缆线能够承受住如此电压

6、石墨烯太贵,即使制成电池,普通消费者也难以承受

刘冠伟说,在锂电池中应用,石墨烯主要起到的作用,一是导电剂,二是可能做电极嵌锂材料。其实,这两点,都是在和传统的导电碳/石墨竞争。“那么问题来了,你知道导电碳/石墨多便宜么?都是论吨卖的,论克卖的石墨烯哪天能降到这个价?现在锂电池用的各种材料,都是一吨几万、十万左右的东西,而且天天承受着要求降价的压力,用石墨烯完全不现实。” 这主要是石墨烯太贵。一克上千的价格,这不是一般企业能够承受得了的。而数年前,石墨烯的价格曾高达每克5000元,远超黄金价格。另外,就是这样的电池造出来了,消费者也难以承受。

2016年4月,东旭光电收购上海碳源汇谷50.5%的股权,成为上海碳源汇谷的控股股东。公开资料显示,这是一家专注于石墨烯规模化制备、应用技术开发的企业,在单层氧化石墨烯以及石墨烯的制备、分离和纯化技术与工艺方面均取得了突破性进展,规模化可使石墨烯产品制备成本大幅降低。

不过即使是这样,石墨烯的价格依旧不低,“购买的价格主要看你是做什么用,如果只需少量购买,价格是600元/克,需要的规模大的话,可以降低到几十元。”8月7日下午,上海碳源汇谷一位姓魏的销售人员对记者表示。可几十元每克的价格依旧在市场缺乏竞争力。“烯王”作为东旭光电自身的产品,尽管石墨烯的原料供应成本可以更低一些,但也不会低到那里去,在采访中魏姓销售人员已经否认了他们真实成本只有几元的说法,“这样的说法根本就不是从我们这里流传出去的。”他说。这意味着用石墨烯作为电池材料的“烯王”未来必然要面临成本的考验。

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上海交通大学微纳科学与技术研究院研究员、博士生导师魏良明表示,即便是做负极材料,现在业内更倾向于使用硅,因为一方面硅的理论容量并不比石墨烯低,另一方面是硅的价格相对石墨烯而言要低得多。

近年来,有一些企业宣称实现了量产,石墨烯价格甚至下降到每克3-5元,但据行业内人士的说法,现在宣称已经实现量产的石墨烯并非真正单层的石墨烯,而大多是晶格缺陷较高、多层堆叠的石墨微片产品,只能保持石墨烯部分特性。

7、市场上大量膨胀石墨、石墨微片鱼目混珠

而在我国之所以有众多的企业加入到生产石墨烯电池的大军中,其与主要是使用的是石墨烯粉体有很大的关系。目前在石墨烯产品的产业化生产方面,有两个重要的方向:一个是石墨烯膜,一个是石墨烯粉。石墨烯膜的工业化生产起点高、技术要求强,一般的企业难以涉足。但是对石墨烯粉而言,却有很大的操作空间。

因此,石墨烯粉体成为伪石墨稀概念和资本炒作的重灾区,除了严格意义上的石墨烯外,大量膨胀石墨、石墨微片在其中鱼目混珠。由于更薄且层数小于10个原子层的石墨微片具有石墨烯的某些特性,因此添加到电池中,会改善电池的一些性能,不明就里的人就会以为这是石墨烯在发挥作用了。

就是按照中国石墨烯产业技术创新战略联盟的标准,只有达到10个原子层以下的石墨粉体,才能被称为石墨烯粉体。然而,概念是一回事,实际是另一回事。企业向原有材料中添加石墨烯粉体,原子层数结构为5层还是10层,或者是更多层数的石墨微片,如果不是使用专业仪器,外人根本就不知道电池里面填的究竟是什么东西,企业添加的粉体到底是不是石墨烯无人知晓。

其次,粉体中含有5-10层石墨粉体的比例是90%还是只有10%?其中杂质含量又是多少?什么是合格产品?目前也连行业标准都没有,各企业只能凭良心生产。最后,在应用时,企业到底添加了多少石墨烯粉体用于改善性能?产品性能究竟提高了多少,是90%、50%、还是5%?其中多少性能的提高是因为石墨烯?这些却都还是一个糊涂账。

由于目前没有国家标准,这让整个行业混乱不堪。一些地方政府迫切希望打造石墨烯产业,拉动投资,也对这个产业起到了推波助澜的作用。

最近,有市场分析人士声称,目前我国石墨烯产品和高效蓄电池项目完整产业链已经形成,实际上,当前我国石墨烯材料正处于从实验室走向产业化的关键时期,受生产技术成熟度不高、产业化应用路径长等因素制约,石墨烯批量化生产尚未完全实现。有人认为,这个过程没有实现,就说我们的石墨烯电池已经可以实现大规模产业化生产完全是痴人说梦。

因此,一些清醒和业界人士认为,说中国诞生了石墨烯电池,为时尚早。 (文/记者 李鹏 图文编辑/孙燕燕)

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