中國儲能網(wǎng)訊：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等電子產(chǎn)品時最大的煩惱。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”上，美國藍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、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴電子設(shè)備、電動汽車等眾多產(chǎn)品中。正常使用下，一個2500毫安時的鋰電池往往撐不過一天，因此業(yè)界一直在努力實現(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。
研討會上，美國藍石科技首席執(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極材料應(yīng)用”的報告中介紹，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，新技術(shù)在短期內(nèi)可實現(xiàn)鋰離子電池20%的容量提升，在3-5年內(nèi)達到容量提升50%的可能性非常大。
除了在容量上的大幅度提升，賴中平說，新技術(shù)還能成倍縮短充電時間，可使電動汽車一次充電行使500公里以上，推動電動汽車盡早進入家用。
研討會由2010年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者康斯坦丁˙諾沃肖洛夫教授主講。諾沃肖洛夫教授介紹了當(dāng)前國際上最新的石墨烯應(yīng)用研究進展，展望了未來石墨烯在電子信息、醫(yī)藥、光電等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
藍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)，擁有多項石墨烯研究領(lǐng)域?qū)＠］x銳科技是一家國際領(lǐng)先的石墨烯應(yīng)用開發(fā)公司，致力于推動石墨烯在產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)實生活中的應(yīng)用。
石墨烯助力動力鋰電池 18分鐘充滿電
我們目前正在研究用以電動汽車的石墨烯電池，希望可以和重慶的相關(guān)企業(yè)合作。”來自意大利的費瑞博士介紹，意大利在納米材料石墨烯的研究上很有優(yōu)勢，目前他們在將石墨烯和鋰進行組合研發(fā)電動汽車電池，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個小時，下一步他們的目標(biāo)是幾秒鐘。同時，意大利在制造業(yè)等領(lǐng)域也具有很多的優(yōu)勢，希望能結(jié)合重慶的發(fā)展，和重慶的企業(yè)一起合作。
來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，4月17日一下飛機就趕到了對接會現(xiàn)場。他說他們公司有50多年的歷史，2006年進入中國并投資建廠，以前想來重慶但沒有渠道，這次意大利企業(yè)組團來重慶高交會，他特地趕了過來，希望能拓展中國西南地區(qū)的市場。
100噸石墨烯生產(chǎn)線河北投產(chǎn)
或許有一天，你會把觸屏平板電腦三折兩疊塞進口袋;用幾秒鐘將手機充滿電，用上半個月不用再充;乘坐超輕型飛機，駕駛輕型汽車，甚至登上人類夢想的上萬英里的太空電梯……
所有這些美妙夢想，都來源于一種特殊材料——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、高強度、高導(dǎo)熱、高比表面積等特點?！?月2日，長期關(guān)注石墨烯發(fā)展的唐山建華實業(yè)集團總裁孟英表示，這種超凡的新材料必將在電動汽車、電子信息等多個領(lǐng)域帶來革命性變革，有望成為下一個萬億級的產(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實業(yè)在河北省投產(chǎn)首條年產(chǎn)50萬克石墨烯生產(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)展帶來巨大空間。
5小時到30分鐘的顛覆
破解鋰電池充電瓶頸，掀起電動汽車領(lǐng)域革命
充電僅需5小時便可行駛500公里，今年年初，特拉斯在國內(nèi)的上市可謂是“冬天里的一把火”，掀起電動汽車領(lǐng)域的一場革命。
雖然電池技術(shù)向前邁出一大步，但仍存在跑上一會兒需要停下來充5小時電的尷尬，充電時間長依然是鋰電池難以逾越的鴻溝。被視為汽車未來發(fā)展方向的電動汽車，因為無法解決這道瓶頸難題，多年來一直在推廣道路上舉步不前。
“這扇大門，將由石墨烯開啟?！焙秃芏鄻I(yè)內(nèi)專家一樣，孟英非?？春檬┰谀茉搭I(lǐng)域的應(yīng)用，公司的科研團隊正在進行石墨烯基超級電容和電池的研發(fā)。石墨烯電池一旦問世，有望將電池容量增加1.5倍，充電時間縮短至幾十分鐘。使用石墨烯基超級電容替代電池，充放電時間最短甚至可以達到幾秒鐘。
“這也就意味著，以后給電動汽車充電比加油時間還短，這將為電動汽車領(lǐng)域帶來一場顛覆性革命?！泵嫌⒈硎?，目前他們正在布局石墨烯基電容電池生產(chǎn)線，預(yù)計將于今年12月底正式投產(chǎn)。
在唐山建華實業(yè)集團生產(chǎn)基地，記者領(lǐng)略了石墨烯的“神奇”——雖然與石墨同出一源，卻與我們平時所見的鉛筆芯相差甚遠，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克就能盛滿一個容量50升的白色塑料桶。
孟英解釋說，石墨烯電池之所以充放電速度快、儲能大，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，而電流過大會引起電池發(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極材料中，有望解決這一弊端。
孟英解釋說，鋰電池的工作過程，就是鋰離子從正極到負極往返擺動的過程。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。把石墨烯添加到負極材料中，則可以提高容納鋰離子的能力，增加儲電容量。
“石墨烯的轟動，是因為它創(chuàng)造了諸多紀錄，石墨烯一系列神秘的特殊性讓人們對它的應(yīng)用充滿幻想。”孟英這樣描述，石墨烯還是世上最薄、強度最高的材料，它只有0.34納米厚，二十萬層石墨烯疊加起來的厚度大概等于一根頭發(fā)絲的直徑。它比鉆石還堅硬，強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隊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，未來計算機的運行速度有望提高10至100倍;其輕盈堅韌的特性，又是制作超輕防彈衣、超輕飛機材料的首選;利用納米技術(shù)還可以把石墨烯制成一種DNA感測器，用來探測DNA鏈的旋轉(zhuǎn)和位置結(jié)構(gòu)，為基因組測序技術(shù)開辟一條新路徑;石墨烯還可以制成抗菌材料，在殺菌的同時不損傷細胞。
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，不費吹灰之力就敲開了合作的大門?？吹竭@桶樣品，廣東方面負責(zé)人當(dāng)時就“驚呆了”，沒等孟英開口介紹就主動要求開展合作。
“與實驗室以1克為計量單位相比，這一桶樣品無疑是天文數(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。”孟英認為，“高質(zhì)量、低成本宏量生產(chǎn)工藝是當(dāng)前石墨烯實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、進入應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵?！?
目前，建華實業(yè)集團石墨烯年產(chǎn)量達到50萬克，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，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，我們常見的石墨烯大部分都是由石墨片剝離而成?！泵嫌⒔榻B說，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)過幾年研究，他的團隊在氧化還原法的基礎(chǔ)上獨辟蹊徑，對已有制備技術(shù)進行了變革，設(shè)計了具有自主知識產(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。
他拿來一摞A4紙邊打比方邊介紹說：“石墨塊就像這摞紙一樣具有層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過以前的處理方法，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，如果原來是用小刀切的方式，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”會在同一時間共同發(fā)揮作用，這樣一摞紙就會均勻炸成一張張分散的紙片。
“炸開后的紙片如果挨得太近，還會重新團聚在一起，這樣就會前功盡棄?！泵嫌⒔榻B說，這個難題可以通過化學(xué)和物理方法解決，讓每一張小紙片失去團聚性能，成為一個個獨立的個體，即使挨得再近也無法重新團聚起來。
對此，孟英感觸良深：“聽起來道理似乎很簡單，為了實現(xiàn)產(chǎn)量從1克到500噸的突破，五年時間里我們光制備工藝就更新了八代。想要達到更好的分層效果，每一步工藝路線涉及的材料選定和設(shè)備定型都會像神農(nóng)嘗百草一樣試驗成百上千次?！?
800元到25元的縮減
從黃金價降到白菜價，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降到白菜價，但依然保有黃金的品質(zhì)?！泵嫌⒈硎荆挥袑⑸a(chǎn)成本降低，才能使石墨烯更廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域中，否則石墨烯將無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用?！氨热缡╇姵匦Ч_實很好，但如果價格是鋰電池的幾十倍，即便性能再優(yōu)異又有誰會去選擇購買?”
“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，遠遠低于每克800元的市場價。”孟英認為，成本的大幅降低，將會使石墨烯具備參與市場競爭的成本優(yōu)勢。
石墨烯的成本怎樣才能降低?“降低成本主要通過技術(shù)改進來實現(xiàn)。”孟英介紹說，想要達到上百噸的年產(chǎn)量，只要一條生產(chǎn)線就能實現(xiàn)，而按照原來的技術(shù)光設(shè)備就要幾萬臺，僅這一項就要投入幾十億資金，設(shè)備折舊、人員工資等費用則更不用說。此外，用幾百塊錢的原料替代上萬塊錢的，原料篩選也為降低成本發(fā)揮著重要作用，他以特斯拉電動汽車使用的18650電池為例介紹說，以每克石墨烯25元計算，每塊電池需要1.2克左右石墨烯，費用為30元錢，這和普通鋰電池價格相差不是太大。但石墨烯電池的壽命為1萬次，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，照此計算石墨烯電池的價格反而更低。
“25元錢還遠未達到成本極限，隨著研發(fā)深度的增加以及制備工藝的改進，成本將越來越低，我們的目標(biāo)是1克幾元錢甚至更低?！泵嫌Υ擞兄逍训恼J識，石墨烯價格越低需求量就越大，需求量的加大還會促進產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大，這是一個良性循環(huán)。
“降低成本的同時，還要保證石墨烯的品質(zhì)，這樣石墨烯材料才會更有價值。”孟英解釋說，比表面積大小是評價石墨烯產(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，還會影響到下游產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品的性能穩(wěn)定。孟英舉例說，“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)用時就會影響電動汽車性能。”
“通過我們的技術(shù)生產(chǎn)的石墨烯初級產(chǎn)品，比表面積穩(wěn)定在每克550平方米左右，中試結(jié)果最高時可達到1000平方米左右。”據(jù)孟英介紹，通過控制原料品質(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。
金路集團：正在質(zhì)變的石墨烯龍頭
雖然實際控制人發(fā)生了重大變化，但金路集團卻得到了市場的追捧。短短兩個月時間，金路集團已經(jīng)從最低點上漲了近5成。
金路集團股價的上漲與其正在進行的技術(shù)投資不無關(guān)系。
早在2013年12月中下旬，《超快長循環(huán)壽命鋰硫電池：基于石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)》的論文在中科院各地或全國材料類網(wǎng)站上被廣泛轉(zhuǎn)載。
據(jù)悉，中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室的成會明課題組論文《超快長循環(huán)壽命鋰硫電池：基于石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)》發(fā)表，該論文主要講的是高容量、長循環(huán)壽命、低成本及環(huán)境友好的新型石墨烯鋰硫(Li-S)電池的研發(fā)。這一研發(fā)取得鋰電池技術(shù)的革命性突破。
受益于技術(shù)革命
該項科研成果取得突破的主要有四點：
一是該電池理論比能量為2567 Wh/kg，目前常用鋰電池能量密度約140Wh/kg，因此新型鋰硫電池的儲電能力是目前鋰電池的18倍以上。相當(dāng)于將比亞迪E6電動汽車700kg電池，縮小約95%或只需要35kg以下。
二是該電池一次充電多在6分鐘以內(nèi)可以完成。
三是其循環(huán)次數(shù)及電池壽命高于目前鋰電池百倍，電池壽命超過30年。
四是使用該電池的電動汽車使用成本，約相當(dāng)于燃油汽車的20%。
毋庸置疑，中科院金屬研究所研發(fā)的該項目與金路集團高度相關(guān)。
2014年3月12日晚，金路集團發(fā)布公告稱，公司與金屬所前期的合作，主要包括石墨烯散熱材料、石墨烯功能涂層、石墨烯復(fù)合材料的制備技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，石墨烯材料在電池中的應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)材料應(yīng)用技術(shù)研發(fā)等;2014年年度研發(fā)計劃包括：石墨烯在鋰離子電池、鋰硫電池、導(dǎo)電油墨以及防腐涂層中的應(yīng)用研發(fā)。
很多投資者對這個事件沒有判斷，對如何定性分析這個事件沒有概念。為此，筆者將對這個事件的發(fā)生進行獨立的定性分析。
筆者做投資21年，對金路集團還是比較熟悉的。但是說實話，前20年我基本沒有關(guān)注過這只股票。近期也只是因為中科院金屬所有這項科研究成果才引起了筆者關(guān)注和仔細研究，深度研究則讓筆者越發(fā)感覺金路集團或?qū)⒊蔀榈湫偷馁|(zhì)變股。
電池原材料的供應(yīng)商
要對金路集團的質(zhì)變進行定性分析，首先要對中科院金屬所的科研成果進行定性分析，然后再對金路集團和中科院金屬所鋰硫電池科研成果的關(guān)系進行分析。只有當(dāng)這些東西都搞清楚了之后，我們才能明白金路集團到底該如何定位。
首先，中科院金屬所鋰硫電池科研成果技術(shù)突破的定性分析。
中科院金屬所鋰硫電池科研成果所取得的技術(shù)突破，可以說是革命性的。四項突破中，最具有價值的是充電時間縮短到6分鐘以內(nèi)。因為充電時間才是制約新能源汽車能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。大家試著想一想，如果一輛汽車充電需要幾個小時，哪怕是一兩個小時，假設(shè)我們國家每年的新能源汽車銷售量達到500萬輛以上，保有量超過3000萬輛或5000萬輛，那會出現(xiàn)一個什么情況呢?到處都是充電站或充電樁，因為充電時間長，每個司機都恨不得在自家停車位處建一個充電樁。而按照我們國家對用電的管理政策和手段，根本就達不到這點。正因為不可能讓滿大街的汽車都停在那里充電，因此，制約新能源汽車大規(guī)模推廣的因素，首要的就在于充電時間。當(dāng)充電時間降到6分鐘以內(nèi)時，新能源汽車就可以大規(guī)模推廣了。
至于電池重量大幅度下降、使用壽命超過30年、降低運行成本等，這些成果也很重要，但它們只是經(jīng)濟因素，而不是革命性的技術(shù)突破。
這個判斷做出以后，我們相信鋰電池的革命由于此項技術(shù)即將在中國誕生，新能源汽車大規(guī)模推廣的革命性的電池技術(shù)即將出現(xiàn)。
其次，金路集團和中科院金屬所鋰硫電池科研成果的關(guān)系也值得深思。
金路集團3月12日的公告表明，中科院的這項革命性技術(shù)，并不是金路集團和中科院金屬所共有，而是中科院金屬所自己獨有。但是金路集團與金屬所前期的合作，簡單地說，即石墨烯材料在電池及電池以外的應(yīng)用科研成果，金路集團擁有50%的股權(quán)比例。此外，2014年，金路集團和中科院金屬所將會合作研發(fā)石墨烯在鋰離子電池、鋰硫電池、導(dǎo)電油墨以及防腐涂層中的應(yīng)用事項，這些成果金路集團擁有50%的股權(quán)。
換句話說，中科院革命性鋰硫電池中使用的相關(guān)石墨烯材料等，只要是雙方合作研究成果的，肯定使用金路集團與中科院金屬所共同研制的材料;兩家研究成果所制成的其他產(chǎn)品，還可以使用到鋰硫電池以外的領(lǐng)域，或者賣給社會上其他需求者。這些共同的收益，金路集團占到50%。
石墨烯先行者
最后需要考慮的問題是，一項技術(shù)的突破能否讓金路集團成為質(zhì)變型的公司?
金路集團3月12日晚的公告，具體講清楚了公司與中科院金屬所革命性鋰電池的關(guān)系，以及他們在鋰電池、鋰硫電池等材料方面的合作關(guān)系。這個公告，可以讓市場給金路集團做出正確的定性。就是說，如果金路集團擁有中科院金屬所鋰硫電池革命性技術(shù)50%的所有權(quán)，那么金路集團的定位應(yīng)該是鋰電池股;如果沒有這個所有權(quán)，那么它的定位應(yīng)該是石墨烯龍頭股。
從目前來看，可以判斷金路集團至少將有望成為石墨烯板塊的龍頭公司。
因為這個公告改變不了如下事實：
第一， 改變不了中科院金屬所鋰硫電池研發(fā)的革命性技術(shù)突破的事實。
第二，讓市場更加看清楚了，在中科院金屬所制備鋰硫電池過程中，包括石墨烯在內(nèi)的一些材料，只要雙方合作中有的，中科院金屬所肯定使用雙方合作的材料。
因此，我們對金路集團的定性為，以后至少是中科院金屬所革命性的鋰硫電池生產(chǎn)材料提供商。金路集團因為和中科院金屬所的合作，背靠中科院金屬所的革命性技術(shù)，未來將轉(zhuǎn)型成為石墨烯行業(yè)龍頭。
同時，我們認為，中科院金屬所未來進行鋰硫電池中試和產(chǎn)業(yè)化推進過程中，金路集團因為前期的合作項目，極容易成為第二大股東，參股該項目。
最后需要說兩點的是，中科院金屬所的鋰硫電池，還只是在實驗室里制備出來的樣品，離中試、產(chǎn)業(yè)化還有一段漫長的路程要走。這個必須要注意。還有，金路集團對投資者的回答如下：“鋰硫電池為金屬所前期獨立研發(fā)的成果;后續(xù)雙方在石墨烯材料及其應(yīng)用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)方面的合作，包含石墨烯材料在電池中的應(yīng)用技術(shù)研發(fā);在后續(xù)合作期間產(chǎn)生的所有與石墨烯相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)成果歸雙方共有;如果后續(xù)合作期間開發(fā)的技術(shù)由于金屬所前期已申請專利而不能申請專利，金屬所承諾其前期申請的與此相關(guān)的專利和技術(shù)成果歸雙方共有?！边@最后的承諾，給了市場更多的想象空間。
