鉅大LARGE | 點擊量：1460次 | 2021年03月02日
起底“石墨烯電池”：有水分但并非不切實際
上周五(1月15日)尾盤,廣汽集團(SH:601238/HK:02238)"石墨烯電池"9月量產的消息引爆市場。當天,A/H兩地市場的廣汽,A股漲停收盤,港股則收漲19．5%,成交額分別達到10億和37億元。
不過市場里彌漫的樂觀情緒甚至未持續過24小時。隔天舉行的中國電動車百人會論壇上,歐陽明高院士的一番話,迅速為市場的熱忱澆下一盆冷水,他說:"如果某一位說,(這個車)既能跑1000公里,又能幾分鐘充完電,而且還特別安全,成本還非常低,大家不用相信,因為是不可能的。"
圖1:受"石墨烯電池"消息促動,廣汽股價單日暴漲。來源:百度
"充電8分鐘續航1000公里","續航1000公里",廣汽集團放出的這顆"電池衛星"究竟是怎么回事?
隨著更多業內人加入討論、官方的進一步解釋以及我們在技術維度的研判,目前已大致確認3件事:
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1．廣汽所謂"石墨烯電池"說法并不準確,但并非不切實際;
2．該石墨烯電池主要涉及一項電池負極技術:以石墨烯作為導電添加劑的"硅基復合負極材料技術"。其中,石墨烯作為負極材料中導電添加劑的摻入(最多不超過8%),可以提升電池的高倍率充電性能,即輔助實現所謂的"充電8分鐘續航1000公里";基于"一核雙殼"結構工藝的"硅基鋰離子負極",則可以提升電池循環穩定性、結構密度與放電倍率性,即實現所謂的"續航1000公里"。
3．該電池同時涉及一項快充技術:在以石墨烯為三元鋰電池正極材料導電劑基礎上,通過一套降溫冷卻系統,而實現6C快充能力,即一種"充電8分鐘續航1000公里"技術。
基于這樣的基本事實,我們的結論是:廣汽所稱的"石墨烯電池"正確的命名應為"摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池"。這項電池技術并非新技術,但在工藝上有較大突破。該電池所標榜的性能參數,雖然有水分,但也有較大的實現可能性。
01
一顆舊衛星
實際上,長期追蹤石墨烯技術的人士都知道,廣汽這幾天放出的"石墨烯電池"衛星,本身就是一顆"舊衛星"。早在2014年,就有一家名叫Graphenano(中文意為"石墨納米")的西班牙公司公司就號稱已與該國科爾瓦多大學,聯合研發出了全球首件石墨烯聚合材料電池。
在對外推介這件石墨烯電池時,Graphenano使用的參數話術就包括:
◆能量密度超過600wh/kg(即每公斤電芯可產生0．6度電。理論上,500wh/kg可以實現1000公里的真實續航);
◇單次續航里程可高達1000公里;
◆單次完全充電僅需8分鐘以內;
◇使用壽命是鋰電池的兩倍。
……
不過令人感到遺憾的是,Graphenano與科爾瓦多大學主導的這項實驗室技術,迄今仍未走出PPT,時間過去6年多未見落地。
本質上說,無論是2014年的Graphenano還是2021年的廣汽,它們所謂的"石墨烯電池",都是希望通過"核-殼"結構工藝實現石墨烯與硅的結合,作為新的硅基負極材料,部分替代原來完全以石墨為核心的碳基負極材料,以提升鋰電池的整體容量和充電速度。
故而,這種電池正確的命名方式應為"摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池",本質仍是鋰電池(因為使用量最大的核心正極材料未發生變化),而不是石墨烯電池。
02
有水分但并非不切實際
歐陽院士的一盆冷水非常及時,因為廣汽所稱的"1000公里高續航"與"10分鐘快充技術"均存在一定水分,而且受制于現實產業鏈的配套設施不健全難以短期鋪開。
但理性地說,廣汽前瞻發布的這項"摻雜石墨烯的鋰電池",并非不切實際,"脫水"之后仍有較強的可行性與市場空間。
【1】先說水分:"摻雜石墨烯的鋰電池"仍屬于過渡技術,性能提升存在天花板。
我們幾乎可以斷定,在廣汽版"摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池""中,石墨烯的作業是作用導電劑,以減小抗阻性、提升充放電的倍率性,即主要用于提升充電速度。
但對于對鋰離子電池來說,石墨烯作為導電劑附著于硅基復合負極材料中(或同樣作為導電劑附著于三元鋰電正極材料中),沒有辦法從根本上改變鋰離子電池的能量密度,在提升電池整體容量方面只起到輔助性作用。
在提升電池容量(或稱能量密度)方面發揮主要作用的,是硅材料(納米硅)。也就是說,廣汽版"摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池"中,真正的主角是以納米硅為核心的復合型(其實引入納米硅后,石墨占比仍超過納米硅)負極材料。
真正以石墨烯為主體材料的動力電池,目前尚無法在實驗室中完全實現。故而,從截至目前的現實路徑上看,固態電池的前景(以特斯拉4680無極耳電池為代表)還是要明顯優于"摻雜石墨烯的鋰電池",后者只屬于一種過渡技術。
一言以蔽,廣汽所稱的"石墨烯電池",最核心突破還在于"一核兩殼"結構工藝(下文會具體說)的硅基復合型負極材料技術;但鑒于掌管鋰電池核心性能指標的還是正極材料,所以這項技術在電池性能提升方面存在顯著天花板。
【2】再說現實意義:廣汽的硅基復合型負極材料技術工藝以及電池快充技術,擁有理論數據支持,有著較為現實的應用前景與競爭力。
眾所周知的是,硅是目前已知比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負極材料,是石墨類負極材料的12倍多。故而,將納米硅引入鋰電池的負極材料中,部分替代石墨,理論上可以極大提升鋰電池的能量密度。
目前,現有電動車的電池系統能量密度普遍為160wh/kg(比亞迪的漢EV電芯能量密度為170wh/kg,特斯拉model3長續航版為161wh/kg),而廣汽基于硅基復合型負極材料技術的"摻雜石墨烯的鋰電池",據說將能實現280wh/kg,即實現了57%的能量密度提升。
如果事實如此,那意味著:參照160wh/kg能量密度所對應的600公里NEDC續航,廣汽"摻雜石墨烯的鋰電池"的確可以實現1000公里NEDC續航。當然,具體到真實續航,往往還需要打上6、7折。
另外,關于這款電池的快充問題,目前有投資者質疑其是否噱頭大于實質。而來自廣汽集團方面的技術儲備則顯示,針對這個問題,它們的秘密是一項"包括殼體、液冷結構及設于所述殼體內的多個電芯模組"的動力電池系統實用新型專利技術。
該系統也涉及石墨烯--在正極材料中也添加石墨烯作為導電劑。該系統的核心在于基于石墨烯導電劑的"一套降溫冷卻系統",使內部溫度的一致性和安全性也能得到保障,進而確保搭載該系統的車輛可在10分鐘(6C)內完成快速充電。
圖3:不同材料的電阻系數與溫度系數,第一列為石墨烯。來源:百度百科
這里簡單說下什么是6C快充:目前對于快充并沒有一個特別嚴格的定義,一般可以理解為在小于1小時內充電的制度(即充電速率大于1C),以區別于慢充數小時級的充電。根據早期美國加州空氣資源委員會(CARB)的規定,電動汽車快速充電時間為10min(6C)。
不過必須指出得是,快沖技術在當前的實現,不僅取決于電池本身,更取決于高功率充電樁技術的推廣。這也在很大程度上,是一個產業鏈耦合問題,對中國的充電樁行業進一步的技術升級形成挑戰與機遇。
最重要的是,廣汽這一電池技術,本身對于石墨烯的需求并不特別大,加之最近3年多基礎型石墨烯產品的售價大幅降低,所以僅就石墨烯而言,對于成本的制約并不突出。制約這項電池技術的主要成本以及難度,可能來自于電池設備及工藝。
以上,因循謹慎性原則,鑒于固態電池或許至少要在2025年才能商業化,廣汽這一"摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池"如果能夠在一年內量產,還是很有競爭力的。
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