鉅大LARGE | 點擊量：736次 | 2022年10月19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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