石墨烯电池还有风口吗?

自石墨烯发现以来,关于石墨烯电池的消息从未停歇。

2020年1月15日,广汽埃安官方宣布,公司旗下石墨烯电池已进入实车量产测试阶段,8分钟内实现充电80%,续航里程可达1000公里。

此举引爆新能源汽车圈,有的媒体表示“新能源再也不是‘电动爹’了”,也有媒体对此存疑。按新闻传播逻辑来看,这事应该会发酵几天,增加点传播度。但没想到打脸来的如此之快——在中国电动汽车百人会上,欧阳明高院士将矛头直指于此,并斥其为骗子:“如果有人告诉你,这车能跑 1000 公里,几分钟充满电,还安全,成本又很低。以目前的技术来讲,他一定是骗子。”

随后,广汽埃安又发布辟谣,声称能跑1000公里的电池和8分钟内实现充电80%的电池是两种,实车量产测试的是硅负极电池,只不过把两个不同种类的电池放到了一张图上,引起了误解。

消息一出,也算是让舆论暂时平息。但从这件事上来看,不仅说明了大众对高续航里程的关注,也反映出了普通人对石墨烯这种新兴材料的陌生。从目前技术来看,更大面积应用石墨烯的全石墨烯型电池仍处于实验状态或有限的商业化中,是什么限制了相关技术的发展?让我们先来看看石墨烯到底是什么。

石墨烯最早由安德烈·盖姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)发现,他们把胶带粘住石墨又撕下来,最终得到了石墨烯。由此可见,石墨烯其实是碳元素的同素异形体,它的构成非常简单,就是石墨的二维结构,如果你读过《三体》,一定还记得“智子”的二维展开情节,二维平面是没有厚度的,而石墨烯就是这个准二维平面,它只有一个原子层的厚度。在石墨烯没有出现前,世界上所有的元素都是三维结构存在的,这就让石墨烯成为了“夜空中最亮的星”,备受科学家关注。

然而就是这么薄薄一层,却赋予了石墨烯非常强大的特性:由于是二维结构,它超乎想象的轻,强度却相当之高,足足比钢强了300倍,还兼顾了柔韧性。另外,石墨烯也是一种完美的导热材料,导热系数高达3000-5000 W/m·K。同时,石墨烯的导电性能也几乎完美,电子在其中迁移“仿若无人之境”。

集众多优点于一身,这么好的材料,理应被大规模应用才对啊!然而理想很丰满,受限于石墨烯的特殊结构,制备石墨烯时极易发生形变,导致结构缺陷,目前大规模、大面积制备石墨烯仍有较大挑战,高纯度石墨烯每克价格是黄金10倍以上,这也是为什么石墨烯被业内称为“黑金”的主要原因。

看到这,答案已经呼之欲出。没错,限制石墨烯大面积应用在电池的最主要原因就是因为……贵!目前宣称自己使用了石墨烯电池的企业,如2020年宣布在米10至尊纪念版上使用了石墨烯电池的小米,以及推出了石墨烯电池的雅迪,都只是在传统的锂离子或铅酸电池中添加了石墨烯,至于用全石墨烯做电池或电容器,目前看来还不可能商用。

那么,石墨烯电池还会产生新风口吗?大概率是不会了。第一,石墨烯应用在电池中,远无法和传统的导电碳/石墨竞争,因为后者的价格是前者的一百万分之一;第二,石墨烯比表面积过大,受化学影响大,批次稳定性低。虽然新风口没戏,也无法指望通过石墨烯来提升电池容量,但添加了石墨烯导电剂的电池性能确实要比传统锂离子电池好上很多,未来石墨烯制备方法完善、价格下降后,预期石墨烯需求量将大幅上升。

另外,在发热/散热领域和光学器件领域,由于石墨烯完美的导热性及导电性,使用石墨烯做发热组件、加热膜、散热板及石墨烯集成电路的前景十分广阔,众多学者也不断再探索着石墨烯的相关研究,相信未来石墨烯一定会展现出它的“完全体”,真正造福人类及社会。