近年來,純電動汽車的快充技術不斷發(fā)展,“1個小時充滿80%的電量”“30分鐘充滿80%電量”“20分鐘充滿80%電量”……未來的3-5年,純電動汽車只要充電5分鐘就能充滿80%電量,大約能行駛300公里。
被稱為“黑金”的石墨烯,在實驗室的研發(fā)近年有了突破性的進展。汽車電池電芯加入石墨烯后,充放電效率會有顯著的提升。專家表示,石墨烯在汽車電池上應用,填補了石墨烯高端應用的空白。而這種基于“電池+石墨烯”的快充技術不會停留在實驗室,短則三年,長則五年便將走進市場,搭載在新能源汽車上。
那么,石墨烯這個被譽為“能徹底改變21世紀的黑科技”是如何運用在電池的快速充放電上?
純電動汽車改變人們的出行,而快充則會改變現(xiàn)有的純電出行模式。續(xù)航里程一直被認為是純電動汽車最重要的指標之一,但這也許不再是唯一。“電池+石墨烯”將改變純電的快充時間,這也將釋放純電動汽車更大的潛力。將電池和石墨烯結合起來,是近十年才陸續(xù)開展相關的研究。據(jù)專家介紹,電池的諸多性能指標當中,能量密度排在首位,直接決定續(xù)航里程,而續(xù)航里程的長短與消費者購買意愿成正比。一開始,石墨烯電池就是奔著提升能量密度去研發(fā)的。不能說沒有收獲,加入石墨烯之后,電池能量密度能提升5%~10%。但再往上,難以再有突破。這與研究人員最初預期20%~30%的能量密度大相徑庭。
廣汽研究院石墨烯應用研究創(chuàng)新工作站副首席專家毛文峰博士告訴記者,石墨烯只是一種添加劑。石墨烯與電池的關系,就像是調味料與菜品原料之間的關系。炒菜時,放點雞精,可以提鮮,但不能放多,放多了,菜反而不好吃了。同樣道理,在提升能量密度上,起到決定作用的還是電池本體,而非石墨烯這個添加劑。
正因為如此,毛文峰博士認為,“石墨烯電池”的概念是不成立的??萍歼M步,最忌喧賓奪主,不能因為添加了某種添加劑,就大張旗鼓進行注明,并廣而告之,哪怕這種添加劑有光環(huán)在身?!拔覀冊陲埖挈c菜,從來沒有看到過什么菜的菜名是以‘雞精’開頭的”“同樣道理,不能因為電池應用了石墨烯材料,就稱之為‘石墨烯電池’,更為準確的說法是‘電池+石墨烯’”。他認為,市場對石墨烯電池的追捧,已經超過其實際的技術水平,存在一定的泡沫。
賦予純電出行新模式
新能源汽車電池快充時間的縮短,會直接改變現(xiàn)有的純電出行模式:續(xù)航里程重要,但不再是唯一。毛文峰描繪他設想中的未來出行模式:純電動汽車綜合續(xù)航里程只有400公里,當電量耗盡時,找到快充電樁,5分鐘就能夠充滿電。與汽油車2~3分鐘的加油時間相比,5分鐘的快充時間仍然比較長,但比起目前30~60分鐘的平均快充時間,已經快上許多。
廣汽新能源總經理古惠南持相同觀點“快充模式一旦普及,純電動車續(xù)航里程沒必要600公里,甚至1000公里那么多,不需要那么大電池容量和能量密度”。消費者沒必要為電池多買單,快充快走,使用體驗與汽車加油沒有不同?;谶@一觀點,在產品規(guī)劃當中,有超過500公里的超長續(xù)航里程車型,同時也將提供純電續(xù)航里程從300公里到500公里不等的車型,并有插電混動車型供消費者選擇。
除了快速充放電,由于具備良好的導熱性能,石墨烯能夠提升電池的散熱效果;載流子遷移率決定電導率,較快的載流子遷移率能提升元器件的工作速度;由于導電性能好,石墨烯還可以提升電池的功率密度。
廣汽新能源技術中心主任許俊海表示,“我們現(xiàn)在的電池系統(tǒng)仍然保留溫控系統(tǒng),一定程度上增加電池重量,降低能量密度。但隨著電池散熱效果的提升,一旦去掉溫控系統(tǒng),電池能量密度會越級到一個新高度。”更為關鍵的一點,隨著新技術應用,汽車企業(yè)能夠騰出精力,關注以前關注不到的地方,尤其是電池的功能安全。許俊??谥械摹靶录夹g”就包含有石墨烯。
石墨烯的加入或能改變現(xiàn)有格局
“少即是多”,這是汽車設計與研發(fā)最高的境界。面對石墨烯這種獲得諾貝爾獎的“新材料之王”,敢于做減法,需要莫大的勇氣。但扎根于石墨烯領域的研發(fā)人員更多的是逼于無奈。
清華大學材料學院教授朱宏偉曾在接受采訪時明言,如果石墨烯再找不到應用,無論是資本市場還是基礎研發(fā)都會退潮。黎明前的黑暗到底還有多長,沒有人能給出準確的時間??梢钥隙ǎ姵赜绕淦囯姵?,是石墨烯公認最接近于應用的領域之一。
目前,在汽車電池領域,鋰電池仍然是霸主。而根據(jù)材料不同,還分為磷酸鐵鋰、鈦酸鐵鋰以及三元鋰電池。市面上幾乎所有新能源汽車都內置這三類電池,無論是新能源汽車企業(yè)的翹楚特斯拉,還是當前新能源汽車領軍者的比亞迪,都在這個“局”中。
隨著新能源汽車的全面提速,三種技術路線之間的淘汰賽已經分出勝負,磷酸鐵鋰和鈦酸鐵鋰逐漸掉隊,三元鋰電池單獨領跑。
石墨烯的加入,盡管不能在短時間內作為單一的品類徹底顛覆鋰電池。但作為一種添加劑和催化劑,還是能夠改變電池領域的現(xiàn)有格局,讓磷酸鐵鋰看到逆襲希望。公開資料顯示,國軒高科擬將“青島國軒年產3億Ah高比能動力鋰電池產業(yè)化項目”調整為“青島國軒年產2Gwh高比能動力鋰電池項目”。產品類型由三元電池調整為磷酸鐵鋰電池。在近期接受投資者的調研過程中,國軒高科更表達了自己對磷酸鐵鋰電池應用前景的看法,隨著技術不斷迭代,其認為未來磷酸鐵鋰市場應用空間依舊非常廣闊。
一位不愿透露名字電池專家表示,假如石墨烯能夠大幅縮短快充時間,隨著補貼滑坡,真正市場化以后,磷酸鐵鋰的低成本、長壽命、高安全性優(yōu)勢會顯現(xiàn)出來。
或填補石墨烯高端應用的空白
在石墨烯領域,國內和國外企業(yè)采取不同的策略。國外是先投入大量資金進行基礎研發(fā),隨后再尋求應用。業(yè)內公認對于石墨烯投入研究資金的是三星,申報大量專利,不僅將石墨烯應用在顯示屏上,而且進行石墨烯電池的研發(fā)。國內則是先進行模式搭建,建立企業(yè),再找尋下游市場。
來自中國經濟信息社發(fā)布的《2016-2017中國石墨烯發(fā)展年度報告》顯示2016年以來,中國石墨烯企業(yè)爆發(fā)式增長,年新增企業(yè)超過700家,但在具體應用上,過于粗放,大材小用。石墨烯真正能夠發(fā)揮作用的應該是能充分利用其“輕、薄、柔”等結構特點的場合,或在微納芯片、光電子等核心器件里。
專家表示,石墨烯在汽車電池上應用,填補了石墨烯高端應用的空白。種種跡象表明,在“電池+石墨烯”上,中國處于世界的最前端,而廣州又走在中國的前列。這不僅因為中國是全球最大汽車市場,同時也是最大新能源汽車市場,市場和消費需求擺在那里。
毛文峰強調,市面上存在許多石墨烯制作電容裝置夸張描述,比如充放電速度是鋰電池100倍~1000倍,這些都是炒作,是科學鬧劇,無論理論還是實驗室都是不成立的。
未來3-5年快速充放電將實現(xiàn)突破
走出“能量密度”的誤區(qū)之后,近年來石墨烯在電池實驗室的研發(fā)就陸續(xù)有了進展。華為將石墨烯應用在手機電池上,主要側重散熱,發(fā)揮石墨烯優(yōu)秀的導熱性能。比亞迪使用石墨烯,用于提升汽車電池的功率密度。功率密度和能量密度是截然不同的指標,前者決定純電動車百公里加速度,后者決定純電動車的續(xù)航里程。而毛文峰和他的團隊,將主要研究方向聚焦在快速充放電上,也就是提升電池的充放電速率。“不能簡單地換算,但在實驗室里,電池電芯加入石墨烯后,充放電效率會有顯著的提升?!?/p>
毛文峰介紹,在未來三年,電池能量密度能在現(xiàn)在基礎上提升20%~30%左右。充電速率則不同,未來3~5年,將充電時間能夠縮短一半?!澳壳埃趯嶒炇依?,我們團隊已經有收獲,純電動汽車電池能夠在5分鐘充滿80%的電量?!笨梢宰鳛橹苯颖容^的是,目前市面上的快充絕大部分是“1個小時充滿80%的電量”,廣汽新能源是“30分鐘充滿80%電量”,最快的是上汽乘用車,將會在2019年的量產車型上搭載“20分鐘充滿80%電量”的快充技術。
有人會說,20分鐘與5分鐘沒有太大區(qū)別,不就多等15分鐘嗎?我們來設想一下:為一輛純電動車充電,到達充電樁時發(fā)現(xiàn)前面排著兩輛車:假如快充需要20分鐘,就需要60分鐘才能完成充電;而若快充只需5分鐘,只要15分鐘就能開車走人。另外,目前汽油車每加滿一箱油大約需要2~3分鐘,續(xù)航里程在600公里左右。5分鐘充滿80%電量,大約能行駛300公里。兩者還是有差距,但差距已經縮小到可忍受的范圍。“基于‘電池+石墨烯’的快充技術不會停留在實驗室,較大可能會走進市場,短則三年,長則五年,會搭載在廣汽集團旗下的新能源汽車上?!?/p>
當然,這其中也存在巨大的變數(shù)。變數(shù)不僅來自技術本身,還有需要進一步提升的可靠性和安全性,同時還受到其他因素掣肘,包括但不限于配套電池企業(yè)的生產水平,生產出來電池的一致性、快充充電樁和充電網(wǎng)絡的硬件支撐、電池管理系統(tǒng)、電池的散熱性能等。