充电8分钟,续航800公里?超级电池前面还有三道坎

试想下,你是一名电动汽车车主,在这个寒冷的冬天里,一边扶着方向盘,一边战战兢兢地看着显示屏上的剩余电量,算计着里程,唯恐半路趴窝。这时,突然有人告诉你,一种神奇的快充电池诞生了!续航航程达到了1000公里,充电8分钟,电量就能恢复到80%,你是不是会喜极而泣,欢欣鼓舞呢?

在部分新能源造车和电池企业的描述中,石墨烯是这样的 | marvel.com

确实,就在前几天,某国产汽车制造大厂就宣布了,这样一款神奇的“超级电池”已经研发成功,并且在2021年内就可以实现量产。那么问题来了,这种超级电池究竟是用了什么黑科技材料?难道如同漫威电影《黑豹》里的情节,天上掉下振金了?

放大后的石墨烯结构图 | en.wikipedia.org

当然,振金在现实中是不存在的,而这款超级电池中所使用的新材料,叫石墨烯。顾名思义,它就是从石墨里面分离出来的一种新型纳米材料(单原子层薄膜),长得还丑,薄薄一层,单层厚度只有0.35纳米,几乎是一根人类发丝直径的28万分之1,结构如同蜂巢。

虽然其貌不扬,但是石墨烯却拥有一长串的称号,例如,“新材料之王”、材料界的“黑金”,诸如此类。石墨烯的最大优点是导电性极强,电阻几乎可以忽略不计。如果把电流比作车辆,那么石墨烯就堪称一条路况超级优良,且没有任何收费站与交通管制灯的超级高速公路:电子在石墨烯中的运动速度极快,达到光速的 1/300,远远超过在一般导体中的运动速度。另外,由于拥有巨大的表面积(3 克石墨烯的比表面积相当于一个足球场),利于电荷聚集,所以石墨烯材料的储电能力非常优秀。

由于充电和放电过程都不涉及化学反应,从而让石墨烯存电量大(较之锂离子电池高45%以上),能耗少,并且又耐热又耐寒,听上去真的非常完美,精确解决现有电动汽车锂电池充电慢,寿命低,寒冷条件下表现不佳的痛点。

想变超级电池,前面还有三道坎

然而,俗话说:“太好的消息,多半是假的”。在实验室条件下,导电性能优良,存电量优秀的石墨烯,距离变成能够装进新能源汽车的超级电池,还有很长的一段路要走。

一种主流石墨烯电池设计方案,将石墨烯材料与钛酸锂材料混合,制成电池负极,改善电池充电速度与电容量| blogcanaribat.es

首先,如果我们要完美体验石墨烯的快速充电属性,现有的充电条件还跟不上。在实验室条件下,用石墨烯材料做个微型充电宝,实现快速充电当然没问题,但是如果想做成大型电池组放进电动汽车,就是另一回事了。

特斯拉第3代充电站超级充电桩,功率不过250千瓦,远远不能体验石墨烯“快充”的优越性 | tesla.com

为什么这样说,根据计算,一个电量150千瓦时的电动汽车电池组,如果想要在8分钟内就能达到充电量80%,那么充电桩的功率需要达到900千瓦(kW)。然而,市面上现有的电动汽车充电桩功率是多少呢?高大上的特斯拉在2019年公布的第3代充电站超级充电桩,也不过是250千瓦,而普通电动汽车家用充电桩的功率可能只有几十千瓦。所以说,如果充电桩功率太低,石墨烯导电快速的优点根本没法体现。在现有技术条件下,大规模普及功率如此高的充电桩网点,现有电网恐怕无法承受,安全性更是不可预知,估计只能去请皮卡丘帮忙了。

现阶段妨碍石墨烯超级电池诞生的第二个原因,就简单多了,一个字——贵!目前石墨烯的生产,使用是机械剥离法,成本高且产能低,目前市面上的石墨烯材料价格大约是每克100美元,作为实验室耗材买起来都要咬牙,如果真用来制造电池内部导电材料主体,那画面简直太美不敢看:要知道,传统导电材料炭黑和石墨都是论吨卖的(每吨几万元),论克卖的石墨烯哪天能降到这个水平?即使不计成本做成电池里装,估计也只有阿拉伯产油国土豪有兴趣买。

当然啦,现在市面上盛行的石墨烯电池方案,都是在锂离子电池中掺入了微量石墨烯,作为电池负极或导电材料添加剂,成本并不是很高;但这又引发了新的问题:石墨烯材料虽然导电快,储电性能好,但放在锂电池中,对电池性能的提升却十分有限,甚至会妨碍电池中锂离子的流动。这可非常要命,毕竟现在的锂电池放电做功,就是靠锂离子这个勤勤恳恳的搬运工,在电池内部的电解质里,不断将电能从正极“搬运”到负极来实现的。

锂离子的活动受阻,就意味着电能的浪费。说的通俗一点,就是,按照现有设计方案造出来的石墨烯电池,如果装在电动车上,车主面临的问题将会是:充电很快,电池电量也多了一些,但是,开一会就没电了,需要重新再充,这就真成了郭德纲相声《西征梦》里的场景:从北京飞到美国,这直升飞机一路上加了好几百回油。

所以说,石墨烯电池,真的是看上去很美,但暂时还是一朵生长在实验室里,尚未绽放的技术之花。

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