石墨烯锂电池：电动汽车续航里程的未来？

    2014年12月26日，美国电动汽车制造商特斯拉发布了两年前停产的第一代车型Roadster的升级版，续航里程达到644公里，高出原版60%。

    电池技术的进步，提升了特斯拉产品的性能。此前Roadster的续航里程是393公里。特斯拉CEO马斯克称，特斯拉的高性能石墨烯电池，相比目前的容量增长近70%。

    英国科学家发明石墨烯10年后，在电池上的应用获得巨大突破。2014年12月初，西方媒体报道，西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发的石墨烯电池，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里。它被石墨烯研究者称做“超级电池”。

    “我们现在还在了解情况，正在求证西班牙这种电池的具体情况，如果确认是这样的，那确实是革命性的变化出来了。”中国石墨烯产业技术战略联盟秘书长李义春对记者称。

    西班牙的“超级电池”很快将像特斯拉一样应用于汽车上，据西方媒体报道，它的拥有者12月在德国两大汽车巨头的汽车上进行试验，并在2015年第一季度生产上市使用。

石墨烯充电时间接近加油

    目前，全球汽车制造商使用的动力电池主要使用锂电池，以特斯拉为代表的镍钴铝酸锂电池(钴酸锂电池)、以比亚迪为代表的磷酸铁锂电池和以日本汽车为代表的锰酸锂电池。

    这三类电池以钴酸锂电池能量密度最高，但它在高温下也最不稳定；磷酸铁锂电池最稳定，但能量密度最低。

    锂离子电池技术，已经沉寂了20年没有大的技术革新。一位研究动力电池的专家称，其最大的障碍在于，锂离子电池功率密度有限，其大量能量无法快速接收或释放。

    特斯拉升级版的Roadster3.0采用了改进过的锂电池，特斯拉没有确认是否加入了石墨烯。不过，它的性能有大幅度的提升，恐怕只有石墨烯能做到。新改进的18650型锂电池的容量大幅度加大，6831节电池组数量没有增加，但电池组的总容量从53kWh提高到了70kWh.

    据接受采访的专家介绍，石墨烯的结构可以改变锂电池技术长期没有突破的障碍。石墨烯片材内部结构间隔扩大，以允许更多的电解质“润湿”及锂离子电池中的锂离子获得高速率通道的性能。

    “石墨烯的特点是导电速度快，导电性能好，目前很多研究都在实验，具体哪一块很难说，不过缩短充电时间等是肯定的。”李义春说。按照美国伦斯勒理工学院研究人员的预计，石墨烯阳极材料比如今锂离子电池中惯用的石墨阳极充电或放电速度快10倍。

    按照西班牙上述机构的数据，石墨烯也可能大幅度增加电池的容量。“超级电池”参数显示，其能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍;使用寿命是目前锂电池两倍;其成本将比目前锂电池降低77%。

    锂电池传统制造强国是日本和韩国，在石墨烯电池上他们也正在抢夺技术先机，韩国科学家早在去年11月就宣布，最新发明的石墨烯超级手机电池，可存储与传统电池等量的电量，但充电时间只需16秒。

    日本在电池技术上实行两条路线并行，除了发展普通意义上的锂电池，他们还研究燃料电池技术，用特制的石墨烯材料替代铂作为催化剂，来制造燃料电池车所需的氢燃料，获得突破。

目前石墨烯的研究总体上分两块：

    一是在传统锂电池上进行应用，目的是改进、提升锂电池的性能，这类电池不会产生颠覆性的影响;

    二是依据石墨烯制造一个新体系的电池，它是一个崭新系列的，在性能上是颠覆性的，称作“超级电池”。

中国2015年量产石墨烯锂电池

    中国新能源汽车推广长达5年，但效果并不理想。据工信部的统计数据显示，2014年前11个月，我国新能源汽车累计生产5.67万辆，和2015年纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆的目标差距巨大。

    市场化艰难的主要原因，在于使用的便捷度上：一是，续航里程较低，消费者普遍有里程焦虑;二是，充电设施不完善，充电不方便影响使用。

    在传统的解决方案中，车企采用了先推广混合动力车型缓解里程焦虑，消费者可以根据实际情况选择用油或者用电;另一个角度，国家鼓励大规模建设充电站和充电桩，缓解充电难。

    石墨烯超级电池的出现，可能彻底改变现有的充电问题。续航里程成倍增长，长途出行的里程焦虑可能彻底打破。以西班牙的超级电池为例，1000公里的续航里程几乎接近北京到上海的直线距离，远超出传统汽车一箱油的行驶距离。

    石墨烯充电速度提升，可以减少充电时间，宏观上可以大范围减少充电站和充电桩的需求。以目前全球领先地位的特斯拉ModelS85为例，其通过大功率的超级充电站充电，也要80分钟才能充满，车主等充电的时间仍然是一次煎熬。

    “超级电池10分钟的充电时间，比加一次油时间长一点点，但续航里程比一箱油要长很多，消费者再也不会抱怨。”一位汽车业内人士分析称。

    目前，油电混合动力车被认为是市场上最适合由燃油车过渡到电动车的最好产品，而且这个过渡阶段可能长达15-20年，但电池材料的进步可能推翻这种预判，甚至连纯电动车的普及也可能不需要那么长时间。

    “超级电池”一旦大规模应用到电动车上，对整个行业将是颠覆性的。“一些百年车企可能没有这项技术而衰落，而一些只有十几、二十年的车企，因为掌握新材料技术，可能成为新的巨头。”

    李义春介绍说，目前国内对石墨烯电池的研究进展顺利，一些高校研发团队和深圳的企业进行合作，研究已经进入了中试阶段，“预计2015年上半年就可能实现量产，性能会有很多提升。比如，可以在不增加多少成本前提下，增加锂电池的充放电次数，提高电池安全性等。”

    中国石墨烯产业技术战略联盟，在2013年就已经向国家各部委上报了多个石墨烯研发示范基地，无锡、重庆、南京、青岛、常州等纷纷建立石墨烯产业示范基地。2014年12月，国家主席习近平亲赴江苏高新技术产业研究院，调研石墨烯研发及参观产品展示。

    不过，据石墨烯电池研究人士透露，目前国内主要研究的是石墨烯运用到锂电池上，而非全新体系的“超级电池”，所以国内技术和超级电池有一定差距。国家相关部门对此很重视，2015年出台的“十三五”新材料规划可能将石墨烯纳入其中。