隨著各國(guó)燃油車(chē)禁售日期逼近，新能源車(chē)越來(lái)越火，但是，新能源車(chē)的續(xù)航里程和充電一直是消費(fèi)者擔(dān)心的問(wèn)題，于是各種新型能源不斷推出，如氫能源、石墨烯技術(shù)的研究也如火如荼。據(jù)說(shuō)，用石墨烯聚合材料電池的新能源車(chē)?yán)m(xù)航能達(dá)到1000km？而且國(guó)產(chǎn)采用石墨烯技術(shù)的新能源車(chē)已經(jīng)進(jìn)入測(cè)試階段？如果是真的話，那未來(lái)的新能源車(chē)將有更大的發(fā)展?jié)摿ε秪~

1石墨烯材料

石墨烯（Graphene）是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯常見(jiàn)的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長(zhǎng)法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。

簡(jiǎn)單來(lái)講，這種材料在很多方面具有非常優(yōu)異的特性，在很多方面具有重要的應(yīng)用前景。對(duì)于石墨烯這種萬(wàn)能的革命性“神奇材料”，科學(xué)家甚至預(yù)言其將“徹底改變21世紀(jì)”。

2石墨烯給新能源電池驚喜

我們都知道電池技術(shù)是電動(dòng)汽車(chē)推廣和發(fā)展的最大門(mén)檻，從1884年第一輛量產(chǎn)化的電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始到現(xiàn)在，由于電池技術(shù)的緩慢發(fā)展，讓本來(lái)年長(zhǎng)幾歲的電動(dòng)車(chē)見(jiàn)到燃油車(chē)如見(jiàn)長(zhǎng)輩一般羞澀。

目前電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸期，神奇的石墨烯似乎讓其煥發(fā)了第二春。它不僅是世界上最堅(jiān)硬、導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料，也是世界上電阻最小的材料。它可制造輕便、耐用、適用于高容量?jī)?chǔ)能的電池，并能大大縮短充電時(shí)間，是理想的電池材料。

一個(gè)石墨烯電池的儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)上最好的產(chǎn)品的三倍。這種電池使用壽命是傳統(tǒng)氫化電池的四倍，是鋰電池的兩倍。用它來(lái)提供電力的電動(dòng)車(chē)最多能行駛1000km。而將它充滿(mǎn)電只需要不到8min的時(shí)間。石墨烯電池的重量可以減少為傳統(tǒng)電池的一半。

據(jù)報(bào)道，2014 年一家名為Graphenano的西班牙石墨烯創(chuàng)業(yè)公司與科爾瓦多大學(xué)合作研究出全球首個(gè)石墨烯聚合材料電池，用此電池提供電力的電動(dòng)車(chē)最多能行駛 1000km，而其充電時(shí)間不到 8min，由此可見(jiàn)石墨烯對(duì)電池容量和充電速度提升有多大。

3石墨烯+電池≠石墨烯電池

對(duì)于新能源汽車(chē)動(dòng)力電池——石墨烯電池技術(shù)，目前討論最多的，結(jié)合專(zhuān)業(yè)角度的解讀，石墨烯結(jié)合鋰動(dòng)力電池有兩種使用方法，一是用石墨烯的復(fù)合材料作為鋰動(dòng)力電池的導(dǎo)電劑，二是直接用作負(fù)極。效果都是增加鋰動(dòng)力電池的活性，從而提升電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程、充電速度。目前不少電動(dòng)車(chē)企業(yè)宣稱(chēng)的石墨烯電池本質(zhì)上還是鉛酸電池，只是正負(fù)極使用了石墨烯材料，能有效降低充放電的電阻，一定程度上提升電池的使用壽命和容量，這個(gè)比例大概是10%~20%。

石墨烯能和硅基材料搭配起來(lái)制成一種硅碳負(fù)極材料，大幅提升電池負(fù)極材料的容量，比容量將達(dá)到現(xiàn)有石墨負(fù)極材料的幾倍。

其實(shí)，電池的充放電過(guò)程就像一個(gè)裝卸貨的過(guò)程，貨物是鋰離子/原子，充電時(shí)，正極放出多少鋰原子，負(fù)極就要裝下多少鋰原子，放電過(guò)程則與之相反，單位質(zhì)量正負(fù)極材料能夠容納的鋰原子/離子數(shù)量就是比容量。

目前，三元鋰電池的正極材料比容量最高只能做到200mAh/g左右，從NCM523電池到NCM811電池，鎳含量不斷提高，就是為了提升正極材料的比容量；鋰電池負(fù)極材料則一般采用石墨，比容量的理論上限在 370mAh/g左右。

乍一看，負(fù)極材料的比容量還算富裕，但是換一個(gè)思路想想，既然電池里面的空間有限，如果把負(fù)極材料的比容量拼命提高，不就可以減少負(fù)極材料的總量，把剩下來(lái)的空間全部用來(lái)塞正極材料了嗎？要知道，目前已經(jīng)攻克的石墨烯硅碳負(fù)極材料容量已經(jīng)達(dá)到了1000mAh/g以上。

更重要的是，電池中正極材料密度比負(fù)極材料大多了（電極材料壓實(shí)密度參考值：鈷酸鋰 4.15g/cm3；人造石墨1.5g/cm3 ；磷酸鐵鋰2.2g/cm3；硅碳復(fù)合材料1.4g/cm3），結(jié)合這些數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單計(jì)算一下你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，用硅碳負(fù)極材料取代石墨后，竟然還能往電芯里塞下近一倍重量的鈷酸鋰材料，這意味著，一臺(tái)特斯拉Model 3的續(xù)航里程幾乎能達(dá)到1000km了，到那時(shí)，你還會(huì)考慮燃油車(chē)嗎？

另外，石墨烯最大的優(yōu)勢(shì)是具有超高的導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性，這里有兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，石墨烯是目前已知材料中，導(dǎo)熱性能最好的材料（5000W/mK），同時(shí)也是電阻率最低的材料 （10^（-6）Ω·cm）。

三星研發(fā)的石墨烯球（顯微結(jié)構(gòu)）

在現(xiàn)有的鋰電池看來(lái)，石墨烯簡(jiǎn)直就是一種天降的神奇材料。比如三元鋰電池非常怕熱，在溫度達(dá)到200℃后，正極材料就會(huì)發(fā)生崩解而引發(fā)熱失控甚至起火；磷酸鐵鋰電池怕冷，溫度降低正極材料析鋰能力下降明顯，冬季續(xù)航腰斬讓車(chē)主崩潰。面對(duì)這些問(wèn)題，石墨烯不愧為一劑良藥。

配合電池組的熱管理系統(tǒng)，石墨烯是最理想的導(dǎo)熱介質(zhì)，能非常高效的實(shí)現(xiàn)電芯內(nèi)部的增溫降溫。另外，石墨烯還能提升電池正負(fù)極的導(dǎo)電性能，想要提升電池充電速度，提高電池放電功率，石墨烯也是最好的補(bǔ)品。

4石墨烯電池應(yīng)用情況

1.國(guó)外情況

2018年，美國(guó)公司Fisker曾發(fā)布了名為Fisker-EMotion的電動(dòng)車(chē)，據(jù)稱(chēng)采用電池采用了石墨烯技術(shù)的Fisker-EMotion在快充模式下，9分鐘內(nèi)可獲得160公里的續(xù)航里程，但這款車(chē)已經(jīng)沒(méi)有后續(xù)消息了。

2.廣汽應(yīng)用情況

廣汽從2014年開(kāi)始研究石墨烯的大規(guī)模制備，已具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3DG石墨烯制備技術(shù)，并且還將石墨烯材料應(yīng)用在快充鋰離子電池、超級(jí)電容、鋰硫電池和輕量化車(chē)身材料等多個(gè)領(lǐng)域。目前，廣汽已從電芯、模組、搭載整車(chē)多個(gè)層面初步驗(yàn)證石墨烯技術(shù)，石墨烯電池的量產(chǎn)應(yīng)用也許很快就會(huì)到來(lái)。

從廣汽集團(tuán)官網(wǎng)可以看出，2020年7月份，廣汽集團(tuán)在其科技日活動(dòng)上集中展示的創(chuàng)新科技成果之一的黑科技就是石墨烯科技。

基于石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性和特殊的三維結(jié)構(gòu)，廣汽開(kāi)發(fā)了一款超級(jí)快充電池，它可以做到8min充滿(mǎn)80% 電量，可以實(shí)現(xiàn)充電10min、續(xù)航200~300km。充電速度堪比加油，這將為用戶(hù)節(jié)省大量充電等待時(shí)間，提高汽車(chē)使用效率。

據(jù)報(bào)道，廣汽集團(tuán)在2020年底，用石墨烯動(dòng)力電池進(jìn)行了實(shí)車(chē)量產(chǎn)測(cè)試。該產(chǎn)品的引入，將有效解決目前電動(dòng)車(chē)所面臨的兩大核心問(wèn)題，即充電和續(xù)航。

另外，相比三元鋰電池或磷酸鐵鋰電池，石墨烯電池還擁有更高的充電效率以及更長(zhǎng)的使用壽命等優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)， 石墨烯電池也有一個(gè)非常致命的缺點(diǎn)——生產(chǎn)成本高。這將使得搭載石墨烯電池的新能源汽車(chē)售價(jià)變得不夠平易近人，對(duì)于大眾消費(fèi)者而言，用上該技術(shù)或許還需要等待一段時(shí)間。

當(dāng)然，換個(gè)角度來(lái)看，石墨烯電池與高端新能源汽車(chē)品牌堪稱(chēng)絕配，后者有充足的利潤(rùn)空間吃掉多余成本，而石墨烯電池所給用戶(hù)帶來(lái)的優(yōu)秀體驗(yàn)，則可以幫助高端新能源汽車(chē)品牌在市場(chǎng)上建立優(yōu)勢(shì)，再次向更高的價(jià)位進(jìn)行突破。事實(shí)上，廣汽集團(tuán)研發(fā)該技術(shù)，目的也是為了建立高端新能源汽車(chē)品牌。

據(jù)悉，廣汽集團(tuán)的石墨烯電池技術(shù)的首秀將用于子品牌埃安電動(dòng)汽車(chē)之上。該技術(shù)不僅可以幫助埃安迅速在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟，打響知名度，還可以幫助廣汽旗下新能源汽車(chē)擺脫對(duì)頭部動(dòng)力電池廠商的依賴(lài)，促使頭部電池企業(yè)加快技術(shù)創(chuàng)新速度，總體來(lái)看，有助于動(dòng)力電池市場(chǎng)的穩(wěn)定發(fā)展。

只是，考慮到我國(guó)充電網(wǎng)絡(luò)的承受能力，目前即便石墨烯電池技術(shù)通過(guò)測(cè)試，搭載該技術(shù)的汽車(chē)成功上市，快充想要普及也需要較長(zhǎng)時(shí)間。

5結(jié)語(yǔ)

目前電池行業(yè)內(nèi)部對(duì)于何為石墨烯電池尚未有明確的定論，畢竟，現(xiàn)階段石墨烯僅僅是作為一種輔助材料運(yùn)用于電池中，不能為了營(yíng)銷(xiāo)噱頭拼命把產(chǎn)品和石墨烯聯(lián)系到一起，那其實(shí)是對(duì)技術(shù)研發(fā)的褻瀆。

另外，石墨烯運(yùn)用比較大的瓶頸還有價(jià)格因素。現(xiàn)在廣泛采用的負(fù)極材料——石墨的單價(jià)在5000元左右，計(jì)價(jià)單位是噸，而高品質(zhì)的石墨烯的單價(jià)也是5000元左右，不好意思，計(jì)價(jià)單位是克。如今，隨著制備工藝的不斷改進(jìn)成熟，近幾年，石墨烯的價(jià)格坐上了滑梯，一路走低，這將有利于石墨烯技術(shù)在電池中的應(yīng)用。
編輯：hfy