三分钟带你看懂石墨烯电池是黑科技还是炫技

绿色带路人的心底话

  自21世纪以降,世人最耳熟能详、觉得最酷炫的神奇材料──石墨烯(Graphene)毋庸置疑堪称第一人。若要细数石墨烯其背后物理学的涵义,除非你很闲,不然强烈建议不要没事找事做。

  我们寻常人可以这样理解石墨烯:首先,石墨就像是义美夹心酥,由一层一层的饼干叠了几千几万层叠起来;而石墨烯,就是那一层一层的饼干。差别只在于这层饼干的厚度,仅仅为一个原子厚,你看都看不见。

  想当然尔,这世界上一定会有某些科学家把脑筋动到这个材料上,近几年,石墨烯的应用主要在电池和复合材料领域,我们今天就只谈动力电池这个应用领域,也就是用在电动车上的石墨烯电池。

  石墨烯电池到底是黑科技还是炫技?答案是炫技的成分比较高。我们来从材料特性和技术的角度,破解三个关于石墨烯电池流传已久的环保流言。

环保流言一:石墨烯电池是21世纪神奇材料、新材料之王,有了它现有动力电池的问题将一次解决

  让我们亲手终结这个流言吧,因为所谓的石墨烯电池,仍然是以锂离子当作储存和传递能量的媒介,因此持平来说,石墨烯电池还是锂电池。

  前篇文章《如何判断电池技术大突破是世纪大骗局还是真革命?》我们有提到,目前锂电池根据正极材料的种类,大体上可以分成三大类:钴酸锂(LCO)、磷酸铁锂(LFP)与三元材料(NMC)。那么石墨烯是哪一类

  石墨烯并非传统定义上的正极材料,或是说并不取代现有的正极材料,石墨烯其实是锂电池的微量添加剂。要知道,没有上述的正极材料在储锂位与脱锂位之间的化学位势变化,空有锂离子的迁移也没有用,能量无法有效被储存。

  重复一次:微量添加剂。

  实务上,因为正极材料通常是以粉体的方式存在,因此锂电池制造商需把正极材料固定在基材(铝箔),此时需要加入一些「胶水」才能让这些粉体黏在基材而不会掉下来。好死不死,加入这些「胶水」后整个正极会变得不太导电,而不太导电的电池是无法有效率储存电能的。

  因此我们通常会添加一些助导剂,用以维持整个正极的导电度。传统而言,我们使用导电碳黑等作为助导剂,石墨烯就是拿来PK这些传统的导电碳黑,奈米碳管等其实也是,所以不是什么材料之王,不过是很重要的配角。

环保流言二:石墨烯电池充电比加油还快,10分钟不到就可充饱电

  其实无论哪种锂电池都可以做所谓的快充放,什么3分钟、5分钟、10分钟充电,锂电池也不会因此爆炸或是毁灭,大家都做得到,又不是只有石墨烯电池可以,问题是效能。

  因为使用不同速率充放电,锂电池的有效容量也会跟著改变。这跟电池内部的动力学有关。用大电流充放电,电池的容量就会往下掉。一般来说,从慢充(充电10小时,0.1C充电)变成快充(充电6分钟,10C充电),容量大概会衰减7~8成,变成原来的20~30%。

  这时配角的价值就出来了!根据技术报告(注一)指出,石墨烯的添加可以有效提升充放电的效能。添加少量的石墨烯,则容量可以维持原来慢充的70~90%,相形之下可以用的容量确实大幅提升!当然,要达到真正所谓的充饱(=100%),是不大可能如此理想,因为在最后的5~10%,充电速度会异常地慢,实务上这段是恒压充电段,一般我们称之为涓流充电。你想的没错,就是涓涓细流的意思。这是目前所有电池的特性,因此无论是特斯拉还是保时捷宣称的超快充,事实上都只会是在某一个充电区间(比如20~60%)内才真的充得快。

环保流言三:石墨烯电池的续航力是一般锂电池的2~3倍

  你可能会以为2~3倍的意思是说例如一般锂电池可以跑500公里,石墨烯电池可以跑1,000公里或1,500公里。错了!电池容量都一样,石墨烯不过就是微量添加剂,怎么可能逆天呢。

  上面说到,如果大家都慢慢充,不管哪种电池,结果都是一样的。但如果快充,添加少量的石墨烯,则容量可以维持原来慢充的70~90%,充得比其他电池还饱。翻成白话文的意思是,如果中间要充电,石墨烯充十分钟走人就可以跑100公里,一般锂电池充个十分钟只能跑30公里,这样说来,确实间接提升续航力的问题。

  除此之外,添加石墨烯也可以提升循环寿命,这可能跟石墨烯高热导的散热特性、稳定的化学性或是很强的机械性质安定了电池内部有关。

  要能称作黑科技,没有三两三,怎敢上梁山,我们今天分析完之后,你就可以清楚知道三个重点:

1. 石墨烯电池不是什么黑科技,它是微量添加剂,属于锂电池系统的一部分,是个配角,但是个值得拿金马奖的配角
2. 石墨烯的使用在技术上确实可以显著提升快充放电特性
3. 添加石墨烯,不是直接让电池两倍效能,而是间接解决电动车续航力的问题

  欢迎你在绿色创业家社群今年(2019)八月的小聚和我们深入讨论各种电池的落地应用场景,要知道,电动车是一个很庞大的系统,除了电池以外,最终要能让使用者明显感受到差异,其周围的充电桩、散热、电源管理等都必须同时并行。石墨烯确实有其厉害之处,但世界毕竟不是只靠著技术就能运行,我们无需过度神化一个材料。

(注一)参考资料Journal of Power Sources 240 (2013) 66-79

石墨烯电池

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