鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1476次 | 2021年03月02日
起底“石墨烯電池”：有水分但并非不切實(shí)際
上周五(1月15日)尾盤,廣汽集團(tuán)(SH:601238/HK:02238)"石墨烯電池"9月量產(chǎn)的消息引爆市場(chǎng)。當(dāng)天,A/H兩地市場(chǎng)的廣汽,A股漲停收盤,港股則收漲19．5%,成交額分別達(dá)到10億和37億元。
不過市場(chǎng)里彌漫的樂觀情緒甚至未持續(xù)過24小時(shí)。隔天舉行的中國電動(dòng)車百人會(huì)論壇上,歐陽明高院士的一番話,迅速為市場(chǎng)的熱忱澆下一盆冷水,他說:"如果某一位說,(這個(gè)車)既能跑1000公里,又能幾分鐘充完電,而且還特別安全,成本還非常低,大家不用相信,因?yàn)槭遣豢赡艿摹?quot;
圖1:受"石墨烯電池"消息促動(dòng),廣汽股價(jià)單日暴漲。來源:百度
"充電8分鐘續(xù)航1000公里","續(xù)航1000公里",廣汽集團(tuán)放出的這顆"電池衛(wèi)星"究竟是怎么回事?
隨著更多業(yè)內(nèi)人加入討論、官方的進(jìn)一步解釋以及我們?cè)诩夹g(shù)維度的研判,目前已大致確認(rèn)3件事:
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1．廣汽所謂"石墨烯電池"說法并不準(zhǔn)確,但并非不切實(shí)際;
2．該石墨烯電池主要涉及一項(xiàng)電池負(fù)極技術(shù):以石墨烯作為導(dǎo)電添加劑的"硅基復(fù)合負(fù)極材料技術(shù)"。其中,石墨烯作為負(fù)極材料中導(dǎo)電添加劑的摻入(最多不超過8%),可以提升電池的高倍率充電性能,即輔助實(shí)現(xiàn)所謂的"充電8分鐘續(xù)航1000公里";基于"一核雙殼"結(jié)構(gòu)工藝的"硅基鋰離子負(fù)極",則可以提升電池循環(huán)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)密度與放電倍率性,即實(shí)現(xiàn)所謂的"續(xù)航1000公里"。
3．該電池同時(shí)涉及一項(xiàng)快充技術(shù):在以石墨烯為三元鋰電池正極材料導(dǎo)電劑基礎(chǔ)上,通過一套降溫冷卻系統(tǒng),而實(shí)現(xiàn)6C快充能力,即一種"充電8分鐘續(xù)航1000公里"技術(shù)。
基于這樣的基本事實(shí),我們的結(jié)論是:廣汽所稱的"石墨烯電池"正確的命名應(yīng)為"摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池"。這項(xiàng)電池技術(shù)并非新技術(shù),但在工藝上有較大突破。該電池所標(biāo)榜的性能參數(shù),雖然有水分,但也有較大的實(shí)現(xiàn)可能性。
01
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
一顆舊衛(wèi)星
實(shí)際上,長(zhǎng)期追蹤石墨烯技術(shù)的人士都知道,廣汽這幾天放出的"石墨烯電池"衛(wèi)星,本身就是一顆"舊衛(wèi)星"。早在2014年,就有一家名叫Graphenano(中文意為"石墨納米")的西班牙公司公司就號(hào)稱已與該國科爾瓦多大學(xué),聯(lián)合研發(fā)出了全球首件石墨烯聚合材料電池。
在對(duì)外推介這件石墨烯電池時(shí),Graphenano使用的參數(shù)話術(shù)就包括:
◆能量密度超過600wh/kg(即每公斤電芯可產(chǎn)生0．6度電。理論上,500wh/kg可以實(shí)現(xiàn)1000公里的真實(shí)續(xù)航);
◇單次續(xù)航里程可高達(dá)1000公里;
◆單次完全充電僅需8分鐘以內(nèi);
◇使用壽命是鋰電池的兩倍。
……
不過令人感到遺憾的是,Graphenano與科爾瓦多大學(xué)主導(dǎo)的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù),迄今仍未走出PPT,時(shí)間過去6年多未見落地。
本質(zhì)上說,無論是2014年的Graphenano還是2021年的廣汽,它們所謂的"石墨烯電池",都是希望通過"核-殼"結(jié)構(gòu)工藝實(shí)現(xiàn)石墨烯與硅的結(jié)合,作為新的硅基負(fù)極材料,部分替代原來完全以石墨為核心的碳基負(fù)極材料,以提升鋰電池的整體容量和充電速度。
故而,這種電池正確的命名方式應(yīng)為"摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池",本質(zhì)仍是鋰電池(因?yàn)槭褂昧孔畲蟮暮诵恼龢O材料未發(fā)生變化),而不是石墨烯電池。
02
有水分但并非不切實(shí)際
歐陽院士的一盆冷水非常及時(shí),因?yàn)閺V汽所稱的"1000公里高續(xù)航"與"10分鐘快充技術(shù)"均存在一定水分,而且受制于現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)鏈的配套設(shè)施不健全難以短期鋪開。
但理性地說,廣汽前瞻發(fā)布的這項(xiàng)"摻雜石墨烯的鋰電池",并非不切實(shí)際,"脫水"之后仍有較強(qiáng)的可行性與市場(chǎng)空間。
【1】先說水分:"摻雜石墨烯的鋰電池"仍屬于過渡技術(shù),性能提升存在天花板。
我們幾乎可以斷定,在廣汽版"摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池""中,石墨烯的作業(yè)是作用導(dǎo)電劑,以減小抗阻性、提升充放電的倍率性,即主要用于提升充電速度。
但對(duì)于對(duì)鋰離子電池來說,石墨烯作為導(dǎo)電劑附著于硅基復(fù)合負(fù)極材料中(或同樣作為導(dǎo)電劑附著于三元鋰電正極材料中),沒有辦法從根本上改變鋰離子電池的能量密度,在提升電池整體容量方面只起到輔助性作用。
在提升電池容量(或稱能量密度)方面發(fā)揮主要作用的,是硅材料(納米硅)。也就是說,廣汽版"摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池"中,真正的主角是以納米硅為核心的復(fù)合型(其實(shí)引入納米硅后,石墨占比仍超過納米硅)負(fù)極材料。
真正以石墨烯為主體材料的動(dòng)力電池,目前尚無法在實(shí)驗(yàn)室中完全實(shí)現(xiàn)。故而,從截至目前的現(xiàn)實(shí)路徑上看,固態(tài)電池的前景(以特斯拉4680無極耳電池為代表)還是要明顯優(yōu)于"摻雜石墨烯的鋰電池",后者只屬于一種過渡技術(shù)。
一言以蔽,廣汽所稱的"石墨烯電池",最核心突破還在于"一核兩殼"結(jié)構(gòu)工藝(下文會(huì)具體說)的硅基復(fù)合型負(fù)極材料技術(shù);但鑒于掌管鋰電池核心性能指標(biāo)的還是正極材料,所以這項(xiàng)技術(shù)在電池性能提升方面存在顯著天花板。
【2】再說現(xiàn)實(shí)意義:廣汽的硅基復(fù)合型負(fù)極材料技術(shù)工藝以及電池快充技術(shù),擁有理論數(shù)據(jù)支持,有著較為現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用前景與競(jìng)爭(zhēng)力。
眾所周知的是,硅是目前已知比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負(fù)極材料,是石墨類負(fù)極材料的12倍多。故而,將納米硅引入鋰電池的負(fù)極材料中,部分替代石墨,理論上可以極大提升鋰電池的能量密度。
目前,現(xiàn)有電動(dòng)車的電池系統(tǒng)能量密度普遍為160wh/kg(比亞迪的漢EV電芯能量密度為170wh/kg,特斯拉model3長(zhǎng)續(xù)航版為161wh/kg),而廣汽基于硅基復(fù)合型負(fù)極材料技術(shù)的"摻雜石墨烯的鋰電池",據(jù)說將能實(shí)現(xiàn)280wh/kg,即實(shí)現(xiàn)了57%的能量密度提升。
如果事實(shí)如此,那意味著:參照160wh/kg能量密度所對(duì)應(yīng)的600公里NEDC續(xù)航,廣汽"摻雜石墨烯的鋰電池"的確可以實(shí)現(xiàn)1000公里NEDC續(xù)航。當(dāng)然,具體到真實(shí)續(xù)航,往往還需要打上6、7折。
另外,關(guān)于這款電池的快充問題,目前有投資者質(zhì)疑其是否噱頭大于實(shí)質(zhì)。而來自廣汽集團(tuán)方面的技術(shù)儲(chǔ)備則顯示,針對(duì)這個(gè)問題,它們的秘密是一項(xiàng)"包括殼體、液冷結(jié)構(gòu)及設(shè)于所述殼體內(nèi)的多個(gè)電芯模組"的動(dòng)力電池系統(tǒng)實(shí)用新型專利技術(shù)。
該系統(tǒng)也涉及石墨烯--在正極材料中也添加石墨烯作為導(dǎo)電劑。該系統(tǒng)的核心在于基于石墨烯導(dǎo)電劑的"一套降溫冷卻系統(tǒng)",使內(nèi)部溫度的一致性和安全性也能得到保障,進(jìn)而確保搭載該系統(tǒng)的車輛可在10分鐘(6C)內(nèi)完成快速充電。
圖3:不同材料的電阻系數(shù)與溫度系數(shù),第一列為石墨烯。來源:百度百科
這里簡(jiǎn)單說下什么是6C快充:目前對(duì)于快充并沒有一個(gè)特別嚴(yán)格的定義,一般可以理解為在小于1小時(shí)內(nèi)充電的制度(即充電速率大于1C),以區(qū)別于慢充數(shù)小時(shí)級(jí)的充電。根據(jù)早期美國加州空氣資源委員會(huì)(CARB)的規(guī)定,電動(dòng)汽車快速充電時(shí)間為10min(6C)。
不過必須指出得是,快沖技術(shù)在當(dāng)前的實(shí)現(xiàn),不僅取決于電池本身,更取決于高功率充電樁技術(shù)的推廣。這也在很大程度上,是一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈耦合問題,對(duì)中國的充電樁行業(yè)進(jìn)一步的技術(shù)升級(jí)形成挑戰(zhàn)與機(jī)遇。
最重要的是,廣汽這一電池技術(shù),本身對(duì)于石墨烯的需求并不特別大,加之最近3年多基礎(chǔ)型石墨烯產(chǎn)品的售價(jià)大幅降低,所以僅就石墨烯而言,對(duì)于成本的制約并不突出。制約這項(xiàng)電池技術(shù)的主要成本以及難度,可能來自于電池設(shè)備及工藝。
以上,因循謹(jǐn)慎性原則,鑒于固態(tài)電池或許至少要在2025年才能商業(yè)化,廣汽這一"摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池"如果能夠在一年內(nèi)量產(chǎn),還是很有競(jìng)爭(zhēng)力的。
