在消費電子領域, 電池容量和充電速度一直都是亙古不變的話題, 不少廠商都把充電時間和電池容量作為產品噱頭. 而放眼全球電子設備市場, 已經問世多年的鋰電池依舊是這一領域的絕對霸主, 市面上幾乎所有智能手機都內置了這一電池, 就連波音公司的787 '夢幻客機' 都內置了大量鋰電池.
但是, 鋰電池在安全性, 續航能力, 環境汙染以及充電速度方面存在的巨大短板已經開始嚴重限制了各大高科技產業的發展, 因此許多企業研發部門都將目光放到了更先進的 '石墨烯電池' (Graphene cell) 上面, 並相信這一新型電池未來將徹底取代已經問世超過26年的鋰電池.
什麼是石墨烯電池?
墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜, 只有一個碳原子厚度的二維材料. 石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料, 它幾乎是完全透明的, 只吸收2.3%的光, 同時也是世界上電阻率最小的材料.
所謂的石墨烯電池是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性, 開發出的一種新能源電池. 作為目前最薄, 最堅硬, 導電導熱性能最強的一種新型納米材料, 石墨烯的概念自2004年問世以來一直備受關注.
以動力電池領域為例, 石墨烯是具有良好應用前景的鋰離子電池正負極材料. 同時, 石墨烯聚合材料電池的重量僅為傳統電池50%, 成本將比鋰電池低77%. 從性能來看, 石墨烯鋰電池充電一次, 耗時也不超過10分鐘.
由於其獨有的特性, 石墨烯被稱為 '神奇材料' , 科學家甚至預言其將 '徹底改變21世紀' .
理想很美好
眾所周知, 目前智能手機領域使用最多的電池材料依舊是鋰電池, 鋰電池最早於1991年商用, 之後成為電子設備的標配. 但很多人認為這項技術已經達到極限, 希望尋找替代來源, 於是石墨烯電池技術就進入了人們的視線.
目前的消息顯示, 三星下一代旗艦機型Galaxy S9將使用石墨烯材質電池來取代現有的鋰電池. 這類電池在相同體積下的電池存儲能力大約是鋰電池的45%, 但卻可以在12分鐘內完成充滿電, 而且可以在高達60攝氏度的環境中保持高度穩定性. 這也就使得這一材料電池不僅十分適用於智能手機, 還非常適用於電動汽車.
據悉, 三星研究所已經找到了將石墨烯與二氧化矽大規模結合起來的方法, 完成融合的材料被稱為 '石墨烯球' , 有著類似爆米花的結構. 研究人員指出, 這種技術既提高了電池的穩定性, 又提高了電導率, '大大提高了陰極的可迴圈性和快速充電能力' . 更重要的是, 它們的能量密度接近800Wh/L, 大約與特斯拉所使用的鋰離子電池等一樣.
外界分析認為, 如果三星是全球首家成功將石墨烯材質電池投入量產設備的廠家, 那麼將使得這家韓國企業在很長一段時間內成為石墨烯材質的獨家供應商或者專利持有方, 而這對於該公司的營收和全球地位提升也有著巨大幫助.
與此同時, '石墨烯電池' 的概念在新能源汽車領域也被反覆提及, 似乎已成為目前電動汽車電池技術的突破口. 石墨烯技術電池被稱為 '裡程碑式的黑科技' , 號稱能夠延長電動車續航裡程, 電池壽命, 同時縮短充電時間.
其中最具代表性的或許就是Fisker (菲斯科) 創始人亨利-菲斯科 (Henry Fisker) 所研發的Fisker EMotion電動車了. Fisker EMotion將採用新的石墨烯電池材料, 充電九分鐘就可以行駛208公裡, 最大續航裡程達到644公裡, 最高時速為259公裡/小時. 該車預計在2020年, 率先在英國出售.
此外, 國內媒體有報道稱浙江大學科學家日前利用石墨烯膜作為正極材料, 研發出了一種新型的鋁-石墨烯電池. 這種電池壽命超長, 能在極短時間內充滿電, 且在零下40℃到120℃的溫度範圍內都能正常工作.
而且, 此次研發出的鋁-石墨烯電池還有一些當前其他電池無可匹敵的特性. 比如低溫至零下40℃, 鋁-石墨烯電池仍能穩定充放電1000次; 高溫至100℃, 穩定充放電45000次, 即使電芯暴露於火焰中也不會起火或爆炸. 這一寬溫度使用範圍為將來鋁離子電池在極端溫度條件下的使用打下了基礎.
此外, 這種電池還具備很好的柔性, 在1萬次彎折後容量依舊可以保持不變, 展現出了在可穿戴柔性電子器件中的應用潛力.
現實很骨感
目前的資本市場對於石墨烯電池存在巨大的想象空間, 但也有不少學者認為, 石墨烯電池目前多方面技術難以突破, 因此還是一種處於實驗室的產物, 距離其真正量產仍然遙遙無期.
北京有色金屬研究總院高級工程師, 清華大學博士劉冠偉在接受《每日經濟新聞》採訪時認為, '首先如何定義石墨烯電池就存在分歧: 電極材料中添加了石墨烯材料就定義為石墨烯電池存在誤導. 關於石墨烯電池的新聞都僅限於一些皮毛的報道, 連電池的結構和反應機理示意圖都沒有, 也缺乏具體的能量密度, 電壓, 迴圈壽命等具體技術參數. 對於電池工業來說, 沒有這些資訊, 報道出來的新聞缺乏最基本的可信度, 虛假誇大宣傳的可能性極大. '
中國石油大學教授李永峰同樣持質疑態度. 他認為, 目前石墨烯在電池上的應用, 主要是和矽結合在電池負極裡面代替原來的石墨, 這樣可以提升電池的整體容量和充電速度, 但性能提升效果有限, 網上傳言顛覆式提升並不太現實. 此外, 也有業內人士提及, 石墨烯表面特性受化學狀態影響巨大, 批次穩定性, 迴圈壽命等問題也比較難以滿足鋰電池生產的細緻要求.
中信建投的報告同樣顯示, 具備優異性質的石墨烯產品何時能走出實驗室仍然是未知數. 例如石墨烯作為透明導電膜使用時, 其工業產品的製備便存在一定的瓶頸, 使得產品中石墨烯原油的電導率低等特性無法發揮. 由於單層石墨烯沒有帶隙, 無法實現邏輯電路必需的晶體管開關功能, 工藝複雜性程度大幅提高, 因此其在微電子領域的廣泛使用還有待時日.
誠然, 石墨烯被認為是未來最具潛力的材料之一, 但就目前而言, 它的泡沫成分大於實際應用價值, 阻礙這種材料普及的因素很多, 可量產性和成本則是最主要的普及障礙, 石墨烯電池要想在短期內徹底取代鋰電池恐怕還有很長的路要走.
