石墨烯续航救星 电动汽车的超级电池

被寄予厚望的“新材料之王”石墨烯总是话题不断。前段时间，中科院上海硅酸盐所研究团队研发的石墨烯电池更是引发外界广泛关注。该所研究员黄富强带领的研究团队与北京大学、美国宾夕法尼亚大学合作，合成出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯。该材料具有极佳的电化学储能特性，除了超快速充放电，它还可以循环充电5万次以上，有望为电池行业带来革命性变化。该成果发表在美国《科学》杂志上。

“超级电池”看好石墨烯

“从电动汽车诞生那一天起，科学家们就一直在探索用各种新材料和新技术，来提高电池的续航里程。”河北大学新能源汽车研究中心王涛博士介绍，电动车有100多年的历史，比燃油车还早半个世纪。

据了解，电动车的历史可追溯到1834年，那一年苏格兰人罗伯特·安德森制造了第一辆电动汽车，它由一组不可充电的干电池驱动，只能行驶一小段距离。 1881年，法国工程师古斯塔夫·特鲁夫发明了以可充电电池——铅酸电池为动力的电动车。19世纪末到20世纪初，电动车进入到发展的黄金时代，法国、英国和美国相继出现电动车制造公司，电动汽车一度占领了40%的汽车市场。然而，20世纪20年代后，内燃机技术不断更新，再加上燃油汽车行驶里程是电动车的3倍，且使用成本低……这种背景下，电动车很快从欧美汽车市场中消失了。

“铅酸电池体积大、质量重、充电时间长、续航里程较短，再加上电力传动系统的制造成本过高等因素困扰，被市场淘汰也是必然。”王涛表示，20世纪80 年代至90年代，日本和美国的一些汽车厂家也生产过一系列电动车，但由于大都采用铅酸电池，很难取得质的突破，最终都是昙花一现。进入新世纪以来，环境污染、能源日渐枯竭等问题不断加剧，电动汽车再次成为各大车企重点关注的对象。而且随着锂离子电池的引入，电动汽车进入又一个飞速发展的黄金时期。“与铅酸电池相比，锂离子电池在续航里程、充电时间、电池寿命等方面，都有了很大的提高，但仍无法达到与燃油汽车相同的性能。”王涛介绍，目前市面上电动汽车，除了售价昂贵的豪华品牌以外，纯电动车所标称的续航里程都在300公里以内。

目前，越来越多的科研院所和汽车企业正在研发下一代超级电池，力图使电动汽车取得突破性进展。

“电池含有正负极、隔板和电解质。它们由不同的材料组成，而且不同的材料组合可以让电池贮存不同数量的能量。”王涛表示，电池的升级换代，往往体现在电池材料的更新上。目前，许多研究机构正在试图用新材料研发超级电池，而石墨烯就是其中一种。

据介绍，石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。它是一个网状结构，且具有极限的薄度，电荷在其中可以快速迁移。也正因如此，许多研究者将石墨烯看作是一种比较理想的蓄电池电极材料。

电池性能不断突破

“目前，石墨烯已经在超级电容器、锂空气电池等储能材料的研发中得到应用。”王涛介绍，中科院上海硅酸盐所研究团队就是利用了石墨烯材料高比表面积、优良导电率和稳定化学结构特点，合成了超级电容器的新型电极材料。

超级电容器，是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置。与电池类似，超级电容器主要由电极、电解液、隔膜和集流体组成，其中的电极是决定超级电容器性能的核心部件。目前常用的活性炭电极是双电层的电荷存储机理，其比表面积大、稳定性好、功率密度高但电容量小(《250法拉/克)，而且现有储能器件中所使用的电解液通常有毒有害、易燃易爆、安全稳定性差。

为破解这一难题，中科院上海硅酸盐所研究团队展开持续攻关，通过反复试验，合成了氮掺杂有序介孔石墨烯，该材料是石墨烯广义家族中的一种新结构，具有优异的电化学储能特性，电容量可达到855法拉/克。而且，该团队还研究了电极材料中结构与性能之间的关系，发现氮原子在石墨烯中的结构不仅影响电极材料的氧化还原电位，还决定了电极材料的电容量。这一重要发现为科研人员设计高电化学活性的电极材料提供了新的思路。

事实上，石墨烯材料已被汽车电池研究专家广泛采用。日前，剑桥大学化学教授克莱尔格雷和她的团队利用石墨烯材料攻克了锂空气电池开发中的技术难关，相关成果也发表在《科学》杂志上。

据介绍，锂空气电池通过锂和氧结合成过氧化锂实现放电，再通过施加电流逆转这一过程而完成充电。如何可靠地令上述反应反复发生是该技术面临的挑战。克莱尔格雷用石墨烯构造高度多孔、海绵状的碳电极，再加入一些添加剂使之保持化学稳定，解决了之前的锂空气电池易爆炸的问题。而且如果能把该技术从实验室的演示品转变为商品，那么汽车只充一次电就能从伦敦驶到爱丁堡(约650公里)，所用电池的成本和重量却只有现在锂离子电池的1/5。

此外，韩国三星电子也在进行旨在硅表面添加石墨烯涂层的硅基阳极物质的研究。他们通过在碳化硅电极的表面涂石墨烯涂层，有效地扩展了阳极的表面积。同时与阴极所使用的锂钴氧化物进行组合，使电池的充电电源的单位体积能量密度有较大的提高，其寿命也增加到锂离子蓄电池的1.5至1.8倍。

“这些研究成果都表明，在电极中添加石墨烯材料，可以明显改善电池的充电速度、循环稳定性、使用寿命和能量密度。”王涛表示，不管石墨烯能否成为下一代电池的正负极材料，合理正确使用石墨烯这一新材料，能够促进电池向更高性能发展是业内一致认可的。

真正上路尚需时日

石墨烯材料在电池上的应用前景毋庸置疑，然而石墨烯电池真正从实验室走向产业化，还有很长的路要走。

 

“在讨论石墨烯如何应用于电池之前，获得合格石墨烯产品是第一关。”王涛介绍，石墨烯的独特结构是把双刃剑，在带来优异特性的同时，也为其产业化增加了难度。

据了解，二维材料之前从来没有获得过，石墨烯只是科学家的一个假想。2004年，英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫根据两块石墨相互摩擦就会有一片石墨被整体剥离的特性，发明了制造二维石墨烯的“透明胶法”：他们通过光束、电子束和原子力显微镜等设备来操作，用足够强力的透明胶粘住石墨层的两个面并把它撕开，然后不断重复，直到获得只有一层原子厚的石墨烯。这是个复杂工程，因为1毫米厚的石墨薄片能剥离出300万层石墨烯，两人也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。

然而，这种在实验室获取的方法难度太大、成本太高，限制了石墨烯材料产业化的步伐。而且，即使是获得了产业化的石墨烯材料，也只是制造石墨烯电池的第一步，真正应用到电动汽车上，还需要等更长的时间。

据介绍，锂离子电池在产业化前，用了长达数年的时间对电池的安全性、稳定性、寿命及成组技术进行实验验证。而且电池的发展趋势是往能量密度更高的方向发展，但是能量密度越高，潜在的危险系数也将随之提高。因此，石墨烯电池相关性能的测试、改进可能会需要更长的时间来进行。

此外，在生产可行性的验证上也需要两到三年的时间。因为一款电池从实验室走向生产，在制造过程中对生产设备、工艺路线、制造环境等都是有很高的要求的，需要不断地对制造工艺进行调整。 “虽然没有明确的时间表，但我们有理由相信，石墨烯材料会给汽车电池领域带来革命性的变化。”王涛打比方说，这种变化好比从盒式录像带发展到光盘，会极大地改变整个产业链。