石墨烯新技術(shù)有望大幅提升鋰電池容量
一天不到就用完的鋰電池是不少人在使用智能手機(jī)等電子產(chǎn)品時(shí)最大的煩惱。近日，在廈門大學(xué)發(fā)布的一種基于石墨烯技術(shù)的新型添加劑有望解決這一難題。
在當(dāng)天舉行的“石墨烯應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)”上，美國(guó)藍(lán)石科技與輝銳科技聯(lián)合發(fā)布了這一最新合作成果。這種硅基高能負(fù)極材料添加劑可大幅度提升電池容量，且具有很高的穩(wěn)定性。
鋰電池廣泛應(yīng)用在手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴電子設(shè)備、電動(dòng)汽車等眾多產(chǎn)品中。正常使用下，一個(gè)2500毫安時(shí)的鋰電池往往撐不過(guò)一天，因此業(yè)界一直在努力實(shí)現(xiàn)電池容量的突破，但鋰電池的容量提升在目前已經(jīng)遇到技術(shù)瓶頸。
研討會(huì)上，美國(guó)藍(lán)石科技首席執(zhí)行官賴中平博士在其“大面積石墨烯制備及其在鋰電池負(fù)極材料應(yīng)用”的報(bào)告中介紹，石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能可以提升電極材料的電導(dǎo)率，進(jìn)而提升鋰離子電池的充放電速度；石墨烯的二維層狀結(jié)構(gòu)可以有效抑制電極材料在充放電過(guò)程中因體積變化引起的材料粉化；石墨烯還能很好地改善鋰電池的大電流充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。
他預(yù)計(jì)，新技術(shù)在短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池20%的容量提升，在3－5年內(nèi)達(dá)到容量提升50%的可能性非常大。
除了在容量上的大幅度提升，賴中平說(shuō)，新技術(shù)還能成倍縮短充電時(shí)間，可使電動(dòng)汽車一次充電行使500公里以上，推動(dòng)電動(dòng)汽車盡早進(jìn)入家用。
研討會(huì)由2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授主講。諾沃肖洛夫教授介紹了當(dāng)前國(guó)際上最新的石墨烯應(yīng)用研究進(jìn)展，展望了未來(lái)石墨烯在電子信息、醫(yī)藥、光電等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
藍(lán)石科技是全球最早一批專業(yè)開展石墨烯技術(shù)研究的知名企業(yè)，擁有多項(xiàng)石墨烯研究領(lǐng)域?qū)＠?。輝銳科技是一家國(guó)際領(lǐng)先的石墨烯應(yīng)用開發(fā)公司，致力于推動(dòng)石墨烯在產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。
石墨烯助力動(dòng)力鋰電池 18分鐘充滿電
我們目前正在研究用以電動(dòng)汽車的石墨烯電池，希望可以和重慶的相關(guān)企業(yè)合作?！眮?lái)自意大利的費(fèi)瑞博士介紹，意大利在納米材料石墨烯的研究上很有優(yōu)勢(shì)，目前他們?cè)趯⑹┖弯囘M(jìn)行組合研發(fā)電動(dòng)汽車電池，現(xiàn)在已經(jīng)能夠在18分鐘內(nèi)就將電池充滿，一次充電可以跑600公里，而以前需要12個(gè)小時(shí)，下一步他們的目標(biāo)是幾秒鐘。同時(shí)，意大利在制造業(yè)等領(lǐng)域也具有很多的優(yōu)勢(shì)，希望能結(jié)合重慶的發(fā)展，和重慶的企業(yè)一起合作。
來(lái)自意大利布朗多尼閥門有限公司北京分公司的亞太地區(qū)銷售總監(jiān)亞歷山大，昨日一下飛機(jī)就趕到了對(duì)接會(huì)現(xiàn)場(chǎng)。他說(shuō)他們公司有50多年的歷史，2006年進(jìn)入中國(guó)并投資建廠，以前想來(lái)重慶但沒(méi)有渠道，這次意大利企業(yè)組團(tuán)來(lái)重慶高交會(huì)，他特地趕了過(guò)來(lái)，希望能拓展中國(guó)西南地區(qū)的市場(chǎng)。
100噸石墨烯生產(chǎn)線河北投產(chǎn)
或許有一天，你會(huì)把觸屏平板電腦三折兩疊塞進(jìn)口袋；用幾秒鐘將手機(jī)充滿電，用上半個(gè)月不用再充；乘坐超輕型飛機(jī)，駕駛輕型汽車，甚至登上人類夢(mèng)想的上萬(wàn)英里的太空電梯……
所有這些美妙夢(mèng)想，都來(lái)源于一種特殊材料——石墨烯。
“石墨烯是一種以石墨為原料的納米材料，它是迄今為止世界上已知材料中最輕、最薄、最硬的韌性材料，具有高導(dǎo)電、高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、高比表面積等特點(diǎn)。”4月2日，長(zhǎng)期關(guān)注石墨烯發(fā)展的唐山建華實(shí)業(yè)集團(tuán)總裁孟英表示，這種超凡的新材料必將在電動(dòng)汽車、電子信息等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)革命性變革，有望成為下一個(gè)萬(wàn)億級(jí)的產(chǎn)業(yè)。
“我們率先研發(fā)出一種新的石墨烯制備方法，適用于低成本大批量規(guī)模生產(chǎn)?！弊匀ツ昴甑祝ㄈA實(shí)業(yè)在河北省投產(chǎn)首條年產(chǎn)50萬(wàn)克石墨烯生產(chǎn)線之后，目前一條年產(chǎn)100噸的生產(chǎn)線正在緊張組裝中，將于5月底正式投產(chǎn)。對(duì)于這一令人期待的石墨烯量產(chǎn)技術(shù)新突破，孟英感到，它將為新型工業(yè)化發(fā)展帶來(lái)巨大空間。
5小時(shí)到30分鐘的顛覆
破解鋰電池充電瓶頸，掀起電動(dòng)汽車領(lǐng)域革命
充電僅需5小時(shí)便可行駛500公里，今年年初，特拉斯在國(guó)內(nèi)的上市可謂是“冬天里的一把火”，掀起電動(dòng)汽車領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。
雖然電池技術(shù)向前邁出一大步，但仍存在跑上一會(huì)兒需要停下來(lái)充5小時(shí)電的尷尬，充電時(shí)間長(zhǎng)依然是鋰電池難以逾越的鴻溝。被視為汽車未來(lái)發(fā)展方向的電動(dòng)汽車，因?yàn)闊o(wú)法解決這道瓶頸難題，多年來(lái)一直在推廣道路上舉步不前。
“這扇大門，將由石墨烯開啟。”和很多業(yè)內(nèi)專家一樣，孟英非常看好石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，公司的科研團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行石墨烯基超級(jí)電容和電池的研發(fā)。石墨烯電池一旦問(wèn)世，有望將電池容量增加1.5倍，充電時(shí)間縮短至幾十分鐘。使用石墨烯基超級(jí)電容替代電池，充放電時(shí)間最短甚至可以達(dá)到幾秒鐘。
“這也就意味著，以后給電動(dòng)汽車充電比加油時(shí)間還短，這將為電動(dòng)汽車領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)顛覆性革命?！泵嫌⒈硎荆壳八麄冋诓季质┗娙蓦姵厣a(chǎn)線，預(yù)計(jì)將于今年12月底正式投產(chǎn)。
在唐山建華實(shí)業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)基地，記者領(lǐng)略了石墨烯的“神奇”——雖然與石墨同出一源，卻與我們平時(shí)所見(jiàn)的鉛筆芯相差甚遠(yuǎn)，石墨烯微片更像是棉花一樣的黑色絮狀物，它薄如蟬翼、輕若鴻毛，僅僅180克就能盛滿一個(gè)容量50升的白色塑料桶。
孟英解釋說(shuō)，石墨烯電池之所以充放電速度快、儲(chǔ)能大，就是利用了石墨烯材料的高比表面積、高導(dǎo)電特性，石墨烯材料的導(dǎo)電性能是銅的10至100倍。傳統(tǒng)鋰電池如果快速充放電，必然導(dǎo)致電流增大，而電流過(guò)大會(huì)引起電池發(fā)熱而縮短使用壽命，甚至引發(fā)爆炸。利用石墨烯的特性將其添加到鋰電池的正負(fù)極材料中，有望解決這一弊端。
孟英解釋說(shuō)，鋰電池的工作過(guò)程，就是鋰離子從正極到負(fù)極往返擺動(dòng)的過(guò)程。把石墨烯添加到正極材料中，可以提高正極材料的導(dǎo)電能力，增加電池的放電倍率，加快電池的充放電速度。把石墨烯添加到負(fù)極材料中，則可以提高容納鋰離子的能力，增加儲(chǔ)電容量。
“石墨烯的轟動(dòng)，是因?yàn)樗鼊?chuàng)造了諸多紀(jì)錄，石墨烯一系列神秘的特殊性讓人們對(duì)它的應(yīng)用充滿幻想?！泵嫌⑦@樣描述，石墨烯還是世上最薄、強(qiáng)度最高的材料，它只有0.34納米厚，二十萬(wàn)層石墨烯疊加起來(lái)的厚度大概等于一根頭發(fā)絲的直徑。它比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼材還要高上100倍。該材料幾乎完全透光，透光率在97%以上，有望被用于制造新一代高性能電子學(xué)器件。
目前，該公司近四十人的團(tuán)隊(duì)正在致力于石墨烯下游產(chǎn)業(yè)鏈的開發(fā)及應(yīng)用，同時(shí)開發(fā)的產(chǎn)品有十幾種。據(jù)介紹，石墨烯在電子、航天、軍工、新能源、新材料等領(lǐng)域有著無(wú)比廣闊的應(yīng)用潛力：憑借石墨烯優(yōu)良的電學(xué)性能，它將是最具潛力取代硅制作超微型晶體管的新型材料，未來(lái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度有望提高10至100倍；其輕盈堅(jiān)韌的特性，又是制作超輕防彈衣、超輕飛機(jī)材料的首選；利用納米技術(shù)還可以把石墨烯制成一種DNA感測(cè)器，用來(lái)探測(cè)DNA鏈的旋轉(zhuǎn)和位置結(jié)構(gòu)，為基因組測(cè)序技術(shù)開辟一條新路徑；石墨烯還可以制成抗菌材料，在殺菌的同時(shí)不損傷細(xì)胞。
1克到500噸的突破
石墨片剝離出石墨烯微片，打敗產(chǎn)業(yè)化攔路虎
今年3月初首次到廣東與一家電池企業(yè)洽談合作，孟英僅憑一桶180克的石墨烯微片樣品，不費(fèi)吹灰之力就敲開了合作的大門?？吹竭@桶樣品，廣東方面負(fù)責(zé)人當(dāng)時(shí)就“驚呆了”，沒(méi)等孟英開口介紹就主動(dòng)要求開展合作。
“與實(shí)驗(yàn)室以1克為計(jì)量單位相比，這一桶樣品無(wú)疑是天文數(shù)字，具備大規(guī)模生產(chǎn)能力是促成雙方合作的最重要因素。”孟英認(rèn)為，“高質(zhì)量、低成本宏量生產(chǎn)工藝是當(dāng)前石墨烯實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵?！?
目前，建華實(shí)業(yè)集團(tuán)石墨烯年產(chǎn)量達(dá)到50萬(wàn)克，年產(chǎn)100噸的石墨烯生產(chǎn)線也將于5月底投產(chǎn)，各種性能在同行產(chǎn)品中名列前茅。同時(shí)，該公司二期年產(chǎn)500噸的生產(chǎn)線已完成了生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)工作，正在籌劃年底前在曹妃甸開工建設(shè)。
那么，石墨怎么才能變成石墨烯？“由于石墨片層與層之間作用力較弱，我們常見(jiàn)的石墨烯大部分都是由石墨片剝離而成?！泵嫌⒔榻B說(shuō)，用膠帶黏出石墨烯的辦法顯然不適合工業(yè)化生產(chǎn)。目前業(yè)界主要有化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、熱解碳化硅法等石墨烯批量制備技術(shù)，但全球只有少數(shù)幾家企業(yè)可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。
從2009年開始知道石墨烯至今，孟英一直在試圖找出已有制備技術(shù)不能量產(chǎn)的原因。經(jīng)過(guò)幾年研究，他的團(tuán)隊(duì)在氧化還原法的基礎(chǔ)上獨(dú)辟蹊徑，對(duì)已有制備技術(shù)進(jìn)行了變革，設(shè)計(jì)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)工藝和裝備，使大規(guī)模生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)。
他拿來(lái)一摞A4紙邊打比方邊介紹說(shuō)：“石墨塊就像這摞紙一樣具有層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)以前的處理方法，能將紙與紙之間的距離拉大，但每張紙還會(huì)與上下層的紙緊挨在一起，難以從一摞紙中剝離開。這樣有的幾張挨在一起，有的十幾張挨在一起，形成5層以下微片的幾率很小?！?
找到了根源，問(wèn)題便迎刃而解?！瓣P(guān)鍵就是讓每一張紙從紙摞中均勻分散開?！泵嫌⒋虮确秸f(shuō)，如果原來(lái)是用小刀切的方式，那么新的工藝更像是在每一張紙之間安放了“炸藥”，所有“炸藥”會(huì)在同一時(shí)間共同發(fā)揮作用，這樣一摞紙就會(huì)均勻炸成一張張分散的紙片。
“炸開后的紙片如果挨得太近，還會(huì)重新團(tuán)聚在一起，這樣就會(huì)前功盡棄?！泵嫌⒔榻B說(shuō)，這個(gè)難題可以通過(guò)化學(xué)和物理方法解決，讓每一張小紙片失去團(tuán)聚性能，成為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，即使挨得再近也無(wú)法重新團(tuán)聚起來(lái)。
對(duì)此，孟英感觸良深：“聽起來(lái)道理似乎很簡(jiǎn)單，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量從1克到500噸的突破，五年時(shí)間里我們光制備工藝就更新了八代。想要達(dá)到更好的分層效果，每一步工藝路線涉及的材料選定和設(shè)備定型都會(huì)像神農(nóng)嘗百草一樣試驗(yàn)成百上千次?！?
800元到25元的縮減
從黃金價(jià)降到白菜價(jià)，依然保有黃金品質(zhì)
“我們要做的就是努力使石墨烯從黃金價(jià)降到白菜價(jià)，但依然保有黃金的品質(zhì)?！泵嫌⒈硎?，只有將生產(chǎn)成本降低，才能使石墨烯更廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，否則石墨烯將無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用?！氨热缡╇姵匦Ч_實(shí)很好，但如果價(jià)格是鋰電池的幾十倍，即便性能再優(yōu)異又有誰(shuí)會(huì)去選擇購(gòu)買？”
“5月底年產(chǎn)100噸生產(chǎn)線建成以后，我們生產(chǎn)的石墨烯微片成本將降到1克25元錢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于每克800元的市場(chǎng)價(jià)。”孟英認(rèn)為，成本的大幅降低，將會(huì)使石墨烯具備參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的成本優(yōu)勢(shì)。
石墨烯的成本怎樣才能降低？“降低成本主要通過(guò)技術(shù)改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)?！泵嫌⒔榻B說(shuō)，想要達(dá)到上百噸的年產(chǎn)量，只要一條生產(chǎn)線就能實(shí)現(xiàn)，而按照原來(lái)的技術(shù)光設(shè)備就要幾萬(wàn)臺(tái)，僅這一項(xiàng)就要投入幾十億資金，設(shè)備折舊、人員工資等費(fèi)用則更不用說(shuō)。此外，用幾百塊錢的原料替代上萬(wàn)塊錢的，原料篩選也為降低成本發(fā)揮著重要作用，
他以特斯拉電動(dòng)汽車使用的18650電池為例介紹說(shuō)，以每克石墨烯25元計(jì)算，每塊電池需要1.2克左右石墨烯，費(fèi)用為30元錢，這和普通鋰電池價(jià)格相差不是太大。但石墨烯電池的壽命為1萬(wàn)次，是傳統(tǒng)電池的10倍，10塊傳統(tǒng)電池才能抵1塊石墨烯電池的使用壽命，照此計(jì)算石墨烯電池的價(jià)格反而更低。
“25元錢還遠(yuǎn)未達(dá)到成本極限，隨著研發(fā)深度的增加以及制備工藝的改進(jìn)，成本將越來(lái)越低，我們的目標(biāo)是1克幾元錢甚至更低?！泵嫌?duì)此有著清醒的認(rèn)識(shí)，石墨烯價(jià)格越低需求量就越大，需求量的加大還會(huì)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，這是一個(gè)良性循環(huán)。
“降低成本的同時(shí)，還要保證石墨烯的品質(zhì)，這樣石墨烯材料才會(huì)更有價(jià)值?！泵嫌⒔忉屨f(shuō)，比表面積大小是評(píng)價(jià)石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，石墨烯比表面積越大，單層率越高，品質(zhì)越好。
石墨烯品質(zhì)的不穩(wěn)定，還會(huì)影響到下游產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品的性能穩(wěn)定。孟英舉例說(shuō)，“比如不同批次石墨烯比表面積相差較大，如果制作成石墨烯電池，那么有的容量是普通鋰電池的1.1倍，有的是1.3倍，還有的甚至更多，在應(yīng)用時(shí)就會(huì)影響電動(dòng)汽車性能?！?
“通過(guò)我們的技術(shù)生產(chǎn)的石墨烯初級(jí)產(chǎn)品，比表面積穩(wěn)定在每克550平方米左右，中試結(jié)果最高時(shí)可達(dá)到1000平方米左右?！睋?jù)孟英介紹，通過(guò)控制原料品質(zhì)和生產(chǎn)工藝，該公司生產(chǎn)的石墨烯層數(shù)穩(wěn)定保持在5層以下。
