石墨烯电池大规模商用的时间近了吗?

2020-07-27 04:49浏览 : 884
石墨烯电池大规模商用的时间近了吗?

华为 Mate 8 发表会开始前,微博上就出现了这样一条预告——华为 Mate 8 将使用石墨烯电池。紧接着「石墨烯电池已经研发成功,并且已经商用化应用在华为 Mate 8 智慧手机上了」的消息,在网路上不胫而走——在 Mate 8 发表前释放半真半假的消息,以犹抱琵琶半遮面的形式使华为 Mate 8 手机也随着石墨烯电池消息的传播而备受关注。

然而,我们都知道,事实上 Mate 8 并没有採用石墨烯电池(原因下文会提到),但是这也给了我一个聊一聊石墨烯电池的机会。

石墨烯电池并非颠覆性革命

石墨是目前锂离子电池中最常用的负极材料,充电时,Li 嵌入到石墨层间形成插层化合物,Li 完全嵌入时,每个石墨层都嵌入一层 Li,对应化合物 LiC6,理论比容量为 372mAh/g。当每片单层石墨都以杂乱无章的方式排列,则在单层石墨的两侧表面都可以结合 Li,理论比容量提高了一倍,即 744mAh/g。由于石墨烯的缺陷位、片层边缘及石墨烯堆积形成的微孔结构都可以储存 Li。因此,在理论上石墨烯电极可能有超过石墨两倍的比容量。

如果将石墨烯和 SnO2,Mn3O4,CuO 等电导率比较低的正极、负极奈米材料进行複合,如 Li4Ti5O12、TiO2、LiFePO4 等,就能提高锂离子电池的迴圈性能。中科院金属研究所在 PNAS 发表论文,将正极材料 LiFePO4 和负极材料 Li4Ti5O12 分别与石墨烯複合,製备了 LiFePO4– 石墨烯 / Li4Ti5O12– 石墨烯为电极的具有高充放电速率的柔性锂离子电池,石墨烯做为锂离子及电子的通路,同时发挥导电添加剂和集流体的作用。

石墨烯电池大规模商用的时间近了吗? 複合电极材料结构图。

另外,如果将石墨烯和炭黑混合后做为导电添加剂加入锂电池,可以有效降低电池内阻,提升电池倍率充放电性能和迴圈寿命,而且电池的弯折对充放电性能没有影响。

因此,电极採用石墨烯材料后,使电池具备高充放电速率是石墨烯电池具备快速充电的原因,相对于华为、高通、步步高透过大电流密度下充放电实现快速充电的做法,採用石墨烯电极材料实现快速充电并不会像前者那样削减电池寿命。因为石墨烯电池中的储能物质依旧是锂离子,所以石墨烯电池并非像网路流传的那样是对锂电池的颠覆。

那幺,Mate 8 说採用石墨烯电池是怎幺回事?

Mate 8 并未採用石墨烯电池

在市场压力之下,华为的转型做得彻底,也最有效率——透过线上抢购、建立粉丝团等手法,使华为的网路关注度不断提升,「花粉」在网路上更是形成了不亚于「米粉」的传播能力,华为历次新品发表中都少不了花粉和网路行销公司的身影——在正反两方的争论中吸引流量和人气,使华为获得日常无法企及的关注度。

本次微博上流传出华为 Mate 8 将使用石墨烯电池的消息,就是华为典型的网路行销案例——透过自媒体的虚假消息成功使 Mate 8 还未发表就获得非常大的舆论关注度。

而最好的证据就是华为和曼彻斯特大学关于石墨烯技术的合作着眼于通信领域,而非石墨烯电池。而余承东在两个多小时的发表会上对石墨烯电池只字不提,更证明了 Mate 8 并没有採用石墨烯技术,否则以余承东以往的言行,自然不会放过这幺好的行销点。

华为快充技术的庐山真面目

既然华为 Mate 8 并没有採用石墨烯技术,发表会上的快速充电又是怎幺回事呢?

石墨烯电池大规模商用的时间近了吗?

据相关资讯了解到,华为 Mate 8 採用的是改良的聚合物技术,电芯源自 Sony 和 ATL,封装是飞毛腿和欣旺达,快速充电晶片购买自德州仪器,充电协定是华为自家的。在解释华为快速充电技术前,先介绍高通和步步高的快速充电技术。

早先的锂电池,大电流密度下充放电对电池寿命损失很大。近年来,虽然锂电池的能量密度提升有限,但在相同寿命的情况下,大电流密度下充电提升了不少。

比如原来用的电压和电流为 5V、1A/2A,但高通 QC 快速充电用电压和电流为 9V、2A/12V 、1.67A,因为功率变大了,充电速度自然变快了。

而步步高的 VOOC 快速则是採用加大电流的办法,虽然电压依旧是 5V,但电流提升到 5A,功率提升后充电自然变快。

相对于提升电压或电流的做法,石墨烯电池的快速充电就更有技术美感。

石墨烯电池离大规模商用尚需时日

石墨烯电池技术前景到底如何还是值得商榷的——墨西科技已经将石墨烯的製造成本从每克 5,000 元降至每克不足 3 元,并开发出石墨烯导电浆料和导电添加剂等用于锂电池和超级电容器的产品,而且使用石墨烯电池的手机早已问世。

今年上市的一款名为「开拓者 α」的手机,就採用由中国科学院重庆绿色智慧技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发的石墨烯触控式萤幕、电池和导热膜等新材料,手机触控萤幕不偏色不泛黄,色彩真实、纯净,通透性也比传统萤幕好,手机充电速率提高了 40%,电池寿命延长了 50%,电池的能量密度也增加 10%。

石墨烯电池大规模商用的时间近了吗? 採用石墨烯技术的手机。

从中可以看出,採用石墨烯材料的电极虽然大幅提升了电池寿命和电池充电速度,但因石墨烯材料本身具有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无法相容,能量密度并没有实现理论上的翻倍,仅仅提升了 10%。

在採用石墨烯技术后,「开拓者 α」手机的价格更是「感人」,以至于毫无性价比可言——採用 5.5 英吋 1080p 萤幕,搭载骁龙 64 位元四核心处理器,内建 2GB RAM+16GB ROM 储存组合,前置 500 万 + 后置 800 万画素镜头,支援中国移动 4G 网路——虽然石墨烯原材料的製造成本不高,但技术应用的成本着实不低,以至于开拓者 α 相当于千元机的配置,售价却高达 2,499 元人民币。

因此,虽然石墨烯电池的能量密度在理论上能得到大幅提升,但以现今的技术水準,实际应用中能量密度提升非常有限。网路上流传的关于「石墨烯电池充电 10 分钟跑 1,000 公里;採用石墨烯电极的新型电池的比功率为 100kW/kg,比商业锂离子电池高 100 倍。」以当今的技术水準而言,这些神乎其技的描述还只能存在于理论上,其噱头意义远大于实用价值。这些说法在网路上能够广为流传,更多的是一些企业以石墨烯为噱头进行炒作提升股价或是从事资本运作,而中国真正从事石墨烯行业的和科研机构目前大多处于巨额投资的烧钱过程中,还远远未到技术成熟到可以大规模商业应用的阶段。

结语

从现今石墨烯技术的实际应用来看,採用石墨烯材料的电极确实能提升锂电池的充放电速率和锂电池的寿命,但对大幅提升电池的能量密度还力有未逮。而相对较高的成本和相对有限的性能提升,会使搭载石墨烯电池的手机缺乏市场竞争力。因此,以现阶段的技术水準来看,除非整机製造商良心发现,手机普遍採用石墨烯电池尚需时日。


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