成本较高 缺乏市场检验 石墨烯电池应用有待时日

近日,一种名为“烯王”的电池问世,该生产公司称其为石墨烯基锂电池。与普通电池相比,在满足5C(C表示电池充放电时电流大小的比率即倍率)条件下,石墨烯基锂离子电池可以实现15分钟内快速充放电。此前媒体报道的资料显示,该产品的石墨烯基锂离子电芯主要为18650圆柱电芯,正极采用石墨烯/磷酸铁锂复合材料,具有快速充放、循环寿命长、高低温性能佳等优点。而且,它还可在-30℃~80℃环境下工作,循环寿命更高达3500次左右。

成本较高 缺乏市场检验 石墨烯电池应用有待时日的照片

生产公司表示,电芯具有良好的大倍率充放电性能和循环性能,可适用于移动能源、汽车动力电源、启停电源、无人机产品等,但遗憾的是,业内其他相关配套跟不上。

一时间,“烯王”引起了各方的关注。因为自从石墨烯电池概念问世以来,围绕它的讨论一直沸沸扬扬,其中的焦点问题有二:其一是它理论上可以实现的高性能,其二则是它的命名以及是否能成真。

难以实现的快充

早在几年前,石墨烯电池就被电动汽车行业寄予厚望。因为众所周知,电动汽车电池容量较大,充电时间较长。如果有一款经济实惠且耐用的快充电池提供给电动汽车,相信一定会为电动汽车开拓新的市场。

但是由于种种原因,千呼万唤的石墨烯电池却一直没有在电动车市场露面。

复旦大学高分子科学系教授卢红斌在接受《中国科学报》记者采访时解释了石墨烯电池“难产”的原因:在电池的学术领域中,快速充电一直是追求的目标,但是电池结构本身与快速充电两者之间有些矛盾。

“电池一般包括正极、负极、电解液和隔膜。理想状态下,电池中的电荷在两极之间自由通过,同时电解液不发生变化,隔膜也不被破坏。但实际上,这样的理想状况很难实现,尤其是在快速充电情况下。”卢红斌说道。

但在实际应用中,电荷“游走”在正负两极之间时,可能出现电池内部温度升高,电荷工作环境甚至电极结构发生改变,随之影响电解液(如分解放出气体)和隔膜(形成的晶体破坏隔膜)。当高速充电时,电荷迁移速度加快,就更容易让电池温度升高,一些不期望的副反应甚至结构性破坏就可能发生。

“所以说,高速充电对电池结构、隔膜、电解液的要求都将大幅提升。”卢红斌解释道。

当然,电荷运动的快慢与正负极的材料本身也有一定关系。目前市面上流行的两种电池包括磷酸铁锂电池和钴酸锂电池,前者因安全性好多用于电动汽车,后者价格相对低廉多用于手机。在这两种电池中,阳极往往采用能吸藏锂离子的碳极,放电时,锂离子脱离电池阳极,到达电池阴极;负极材料选择余地相对较大,包括各种碳材料,如天然石墨、合成石墨、碳纤维等。

但无论采用哪种材料,如果无法解决上述问题,依然做不出真正的长寿命快充电池。此时,石墨烯开始进入了科研人员的视野。

2015年,美国伦斯勒理工学院的研究者发现,使用石墨烯作为电池的阳极材料,其充放电速度将超过锂离子蓄电池的10倍。而此次“烯王”采用的是磷酸铁锂与石墨烯搭配作为电池正极。实际上,如前所述,电池能否快充,除了正极以外,其他各个部分的协调匹配同样重要,尤其是涉及电动汽车使用的动力电池,安全、高效和长寿命往往需要同时满足。

命名的困惑

不可否认,使用石墨烯作为电池的阳极材料的确在一定程度上提高了快速充放电性能,但业内人士认为,因为添加了石墨烯材料,就将锂离子电池命名为石墨烯电池也是不妥的。

哈尔滨工业大学化工学院电化学科学与工程系教授袁国辉在接受《中国科学报》记者采访时表示:“石墨烯电池的概念不符合行业命名原则,也不是行业共识。从专业的角度,电池的命名一般是遵循‘正极—负极活性材料’的规则,锂离子电池充放电时,成流反应是锂离子在正、负极材料中的嵌入和脱出的贡献。电极中添加石墨烯材料时,石墨烯的主要作用是提高电极的导电性,尽管可以提高电池的性能,石墨烯的角色并不是锂离子电池正负极的活性材料。”

卢红斌也同意业内人士不赞同对于石墨烯电池的命名观点,但是在市场中,对于广大用户来说,加了石墨烯的锂电池性能得到改善,将之命名为石墨烯电池可以接受。

相比命名问题,卢红斌则更关心,石墨烯电池是否能达到期望的使用效果。

还须市场检验

虽然“烯王”在宣传时打出了15分钟快速充放电的宣传标语,但卢红斌认为,作为充电宝来说,市面上普通的充电宝的价值不过100元左右,但是石墨烯电池的成本较高,是普通锂电池的4倍左右,使用者是否会选择石墨烯的充电宝还是未知数。而且,具体能否达到循环寿命的理论值也有待验证。

“我们期望电池有突破,特别是中国市场对高性能电池的需求,让这一驱动力更强。电子产品领域有期待,电动汽车领域更加期待。”卢红斌说,有期待是一回事,要想开发出满足市场需求的产品还需要一个过程。

事实上,为了改善电池性能,除了石墨烯外,研究者还发现了不少其他材料实现电池的快充,这其中也有不少平衡性价比的选择。

卢红斌认为,满足手机充电的充电宝石墨烯电池问世,并不能代表电动汽车石墨烯电池曙光的到来。

此外,一位不愿透露姓名的电动车业内人士也在接受采访时表示,电动车快充需要实现的前提条件较多,除了电池本身的因素,还有对充电站甚至充电线的要求,因为每条电缆通过的电流有限,如果需要实现快充,就需要增加电缆数量,充电线的横截面扩大,重量增加,降低了便捷性。

“目前还没有相关权威机构公布的测试数据,因此无法评论。不过,如果是好的产品,一定会有市场。”袁国辉表示,市场、时间会对产品作出最好的评判。

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