石墨烯新技術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，在廈門大學發(fā)布的一種基于石墨烯技術的新型添加劑有望解決這一難題。
在當天舉行的“石墨烯應用技術研討會”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。
鋰電池廣泛應用在手機、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴電子設備、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用”的報告中介紹，石墨烯優(yōu)異的導電性能可以提升電極材料的電導率，進而提升鋰離子電池的充放電速度；石墨烯的二維層狀結構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。
他預計，新技術在短期內(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前國際上最新的石墨烯應用研究進展，展望了未來石墨烯在電子信息、醫(yī)藥、光電等領域的應用前景。
藍石科技是全球最早一批專業(yè)開展石墨烯技術研究的知名企業(yè)，擁有多項石墨烯研究領域?qū)＠?。輝銳科技是一家國際領先的石墨烯應用開發(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，下一步他們的目標是幾秒鐘。同時，意大利在制造業(yè)等領域也具有很多的優(yōu)勢，希望能結合重慶的發(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，昨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，具有高導電、高強度、高導熱、高比表面積等特點?！?月2日，長期關注石墨烯發(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?，建華實業(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”，掀起電動汽車領域的一場革命。
雖然電池技術向前邁出一大步，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。”和很多業(yè)內(nèi)專家一樣，孟英非常看好石墨烯在能源領域的應用，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、高導電特性，石墨烯材料的導電性能是銅的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用充滿幻想?！泵嫌⑦@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、新材料等領域有著無比廣闊的應用潛力：憑借石墨烯優(yōu)良的電學性能，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)和位置結構，為基因組測序技術開辟一條新路徑；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。看到這桶樣品，廣東方面負責人當時就“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?！泵嫌⒄J為，“高質(zhì)量、低成本宏量生產(chǎn)工藝是當前石墨烯實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、進入應用領域的關鍵。”
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)工藝設計工作，正在籌劃年底前在曹妃甸開工建設。
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，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上獨辟蹊徑，對已有制備技術進行了變革，設計了具有自主知識產(chǎn)權的生產(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構，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。“關鍵就是讓每一張紙從紙摞中均勻分散開。”孟英打比方說，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?，只有將生產(chǎn)成本降低，才能使石墨烯更廣泛地應用到各個領域中，否則石墨烯將無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用?！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?！泵嫌⒄J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)，而按照原來的技術光設備就要幾萬臺，僅這一項就要投入幾十億資金，設備折舊、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?！泵嫌⒔忉屨f，比表面積大小是評價石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量好壞的重要標準，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，在應用時就會影響電動汽車性能?！?
“通過我們的技術生產(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，中試結果最高時可達到1000平方米左右?！睋?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。
