华为石墨烯电池是一次炒作?

张磊/材料学博士

2016-12-08 09:33 来源:澎湃新闻

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近年来,石墨烯锂电池就像一个火药桶,哪怕再小的火苗都能让舆论“爆炸”,但几乎从没有例外,石墨烯锂电池一直活在谣言中但从未被实现。每次的剧情都是先猜测,质疑,再辟谣,解释。
近日在第57届日本电池大会上,华为中央研究院瓦特实验室推出高温长寿命锂离子电池,而且也宣称采用了石墨烯材料。这一次有例外吗?
根据华为方面的描述,这项技术突破来自于三方面:电解液添加剂、正极材料和石墨烯。
我们先来看华为的宣传视频,是怎么描述这款高温长寿命锂离子电池的,石墨烯在其中起了什么作用。
这部技术介绍宣传片时长2分25秒,真正的关键是这两处:58秒处——石墨烯材料垂直于集流体排列的形式被填充在正极和负极电极中;60秒处——石墨烯以平行排列形式被放置在正极和负极的集流体上。
从电池技术角度来说,电极内部垂直排列不会影响锂离子扩散,在集流体上平行排列也不影响集流效果。而且在隔离膜上没有石墨烯分布,因此也不会导致锂离子扩散受阻,而降低电池性能。根据宣传片对于石墨烯材料的排列以及存在的方式,可以有效的将热量从电极中传导出来,同时也不会影响电池性能。短片中提到使用石墨烯传导热量,从而降低工作温度和延长电池寿命的思路和解释,从技术角度来看是可行的。无论从石墨烯角度还是从电池角度来说,瓦特实验室采用石墨烯将热量到处降低电池工作温度延长寿命的解决方案是合理并且可行的。
锂电池高温衰减、退化的过程有过很多研究和报道,其机理大致是高温导致的有害副反应以及了电池材料性能的退化。不过从电解液添加剂、正极材料着手的改进方案都不具开创性,虽然这两方面的努力都意义重大,但非常难以实现。锂离子电池发展到今天已经成为成熟的体系,即体系中任何一部分的改进都会影响到其他部分,电池性能的提高实际上是各部分共同改进和相互平衡的结果,所以这其中的工作量和难度都是巨大的。
让大家充满遐想的第三个解决方案,采用石墨烯提高电池的散热效果,从而降低工作温度延长电池寿命。目前商业级的石墨烯导热膜可以做到1200W/K m,已经被广泛应用于大功率电子原件的散热。利用石墨烯的高导热能力,将锂离子电池工作时产生的热量从内部传导出来是十分合理的。
但是,瓦特实验室并没有明确给出该款电池的能量密度。关于这一点,很多专业人士都一针见血地指出,在电池体系中加入如此多的石墨烯用于导电,那么同样大小的电池的活性物质的空间、质量,就会被石墨烯挤占而减少,即一定会降低电池的能量密度,这款长寿命高温锂离子电池的能力密度数据一定不会“很好看”。这款电池的设计方案应该不是针对能量密度要求越来越苛刻的汽车动力电池和无人机动力电池,应该只是针对能量密度要求不太敏感的储能电池。这又是一则石墨烯电池的炒作?
其实锂离子电池行业看待石墨烯需要新思路。虽然有些锂离子电池厂家导入石墨烯材料非常有动力,但他们仍以老的眼光去对待,将石墨烯代替碳材料(例如炭黑、石墨),利用其高导电性作为导电剂,或者利用(石墨烯的?)高储锂性作为负极材料使用,为提升电池性能的主攻方向。但实际的评估结果显示,石墨烯在这方面没有优势,或者存在很大问题不能使用。石墨烯是一种高级碳材料,与传统碳材料对比,有优势也有劣势。传统碳材料十分适应现有的锂离子电池的体系,但照猫画虎引入石墨烯往往得不偿失。而石墨烯也具有传统碳材料没有的功能,比如高导热性、高强度、二维的独特形态。
华为推出采用石墨烯的高温锂离子电池,不是利用导电性而是利用散热性,这提出了一种新的解决方案。从材料的角度来看待石墨烯,并开发出应用方案,而不仅仅从电池的角度做简单替换评估,这是一种利用石墨烯的新思路。同样其他的新材料也有类似情况。锂离子电池制造者谁能率先实现这一改变,就可能优先实现产品技术的升级甚至革新,在未来的竞争中处于优势。
从石墨烯行业来说,华为推出的这款电池也是一个信号:石墨烯行业目前的核心不是做石墨烯,而是做石墨烯应用的解决方案。
经过近年的发展,石墨烯粉体从5年前的实验室的克级别制备,扩大到现在的吨级生产,价格从一克数千元降低到一克两三元,石墨烯制备工艺有了质的飞跃。然而石墨烯的下游应用并没有打开,一直雷声大雨点小。很多石墨烯的生产还在着眼于到底是1层还是2层甚至是10层(石墨烯产品规格,原则上石墨烯特指单层石墨烯。),比表面积是300平方米/克还是500平方米/克,甚至将这些内容作为亮点对客户进行宣传。但从华为的短片中,可以清晰地看出华为并没有强调石墨烯的本身性能,而是对其使用方式,也就是排列方式做了特别的描述,这就是一种利用石墨烯高导热性能的解决方案。这款电池采用石墨烯的核心技术绝不在于是否采用单层石墨烯,而是如何实现在锂离子电池中的排列和石墨烯的选择。
所以石墨烯行业只有充分了解市场,抓住客户的“痛点”,为客户提供有需求的解决方案,去提供石墨烯产品和使用技术,才能打开石墨烯的应用市场。
最后借用ATL(知名锂电池生产商)的张毓捷博士的一句话作为总结:练好基本功,发挥想象力。练好基本功是指石墨烯生产厂家要挖掘出石墨烯的独特性能。发挥想象力是指锂离子电池厂家要用新眼光去发现石墨烯潜在性能。
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关键词 >> 石墨烯,华为,能量密度

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