華為苦苦研發(fā)的石墨烯電池，居然被汽車企業(yè)先研發(fā)出來了 (轉(zhuǎn)載)

厚度僅為頭發(fā)絲的20萬分之一，強(qiáng)度是鋼的200倍，是世界上已知的最薄、最輕、最強(qiáng)的材料——近年來，石墨烯這種神奇的物質(zhì)已被公眾所熟知。

　　小到用于制作一片可隨意擺弄的電子紋身，大到取代石油，關(guān)于石墨烯在各領(lǐng)域的特殊功效更是不絕于耳。然而，真正面世的石墨烯產(chǎn)品卻非常少。難道這一切都是炒作？

　　當(dāng)然不是！近日，上汽石墨烯電池研究有了新成果推出，可使新能源汽車動(dòng)力電池能量密度和壽命大幅提升。來聽負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的上汽前瞻技術(shù)研究部工程師朱冠楠、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員夏保佳的詳細(xì)解讀。

　　Q：開發(fā)石墨烯電池主要是為了解決什么問題？

　　夏保佳：研究石墨烯電池的最初目的是為了大幅提升新能源汽車動(dòng)力電池的能量密度。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，能源短缺和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，發(fā)展新能源汽車成為當(dāng)務(wù)之急。然而，電池能量密度成為阻礙新能源汽車發(fā)展的最大瓶頸，目前的鋰離子電池技術(shù)又不能滿足新能源汽車持續(xù)增長的能量密度需求。

　　如何提高電池的能量密度？基本思路是采用新材料對(duì)目前電池的各部分做相應(yīng)替換。從目前公開的信息可以看到，各大電池企業(yè)的技術(shù)路線均為“高鎳三元或富鋰錳基正極材料+硅基負(fù)極材料+高壓電解液和陶瓷隔膜”。

　　其中，硅基負(fù)極材料比當(dāng)前常用的石墨負(fù)極材料在提升能量密度方面功效更明顯。圍繞這樣的思路，以硅、石墨烯復(fù)合材料為負(fù)極的石墨烯電池走進(jìn)我們的視線，開始得到越來越多的研究。

　　Q：石墨烯的哪些特殊性質(zhì)使它在動(dòng)力電池領(lǐng)域受到了如此多的關(guān)注？

　　夏保佳：在以硅、石墨烯復(fù)合材料為負(fù)極的石墨烯電池中，硅材料有著重要作用，但同時(shí)也會(huì)造成電池循環(huán)壽命不長，電池容量衰減極大等問題。其主要原因是，硅材料在循環(huán)使用過程中，體積會(huì)發(fā)生膨脹，從而引起電極阻抗，阻礙電流傳輸，或?qū)е卤Ｗo(hù)負(fù)極材料的SEI膜破裂，甚至使得電極在應(yīng)力作用下?lián)p壞。

　　而石墨烯具有較好的柔韌度，可在適當(dāng)?shù)募夹g(shù)條件下，包袱負(fù)極材料，有效抑制硅材料的體積膨脹，穩(wěn)定SEI膜。與此同時(shí)，片狀、且導(dǎo)電性能優(yōu)良的石墨烯還可以通過相互堆疊，一方面架構(gòu)出相對(duì)分散的負(fù)極結(jié)構(gòu)，從而給硅材料提供相對(duì)寬松的空間，避免其膨脹導(dǎo)致的電極結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；另一方面構(gòu)建良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，緩解硅材料體積膨脹導(dǎo)致的電極阻抗。

　　Q：石墨烯電池研制難在哪里？為什么成功的企業(yè)不多？

　　夏保佳：研制以硅、石墨烯復(fù)合材料為負(fù)極的石墨烯電池，最大難點(diǎn)就是負(fù)極材料的制備。很多研制工作無法取得突破，首先因?yàn)槭﹥r(jià)格非常昂貴，不但導(dǎo)致研制投入過高，而且很可能讓研制成果只能停留在試驗(yàn)階段，缺乏實(shí)際應(yīng)用的可能。

　　其次，用石墨烯制備電極，需要將石墨烯粉末調(diào)成漿料，讓石墨烯均勻分散在溶劑中，但這一目標(biāo)卻不太容易實(shí)現(xiàn)，石墨烯漿料分散困難問題一直困擾著很多研究人員

　　此外，硅、石墨烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，復(fù)合技術(shù)難突破，導(dǎo)致研制出來負(fù)極材料的達(dá)不到預(yù)期的效果，也是石墨烯電池研制過程中的一大難點(diǎn)。

　　我們通過大量的研究和嘗試，用物理剝離的方式獲得了理想的石墨烯材料，并開發(fā)出可直接用于電極混漿制備的高分散石墨烯漿料。與此同時(shí)，基于工業(yè)化噴霧造粒技術(shù)，最終我們成功研制出了性能優(yōu)越、價(jià)格適中的石墨烯電池負(fù)極復(fù)合材料。

　　Q：此次開發(fā)出來的石墨烯電池能量密度和壽命達(dá)到了多少？與同類產(chǎn)品相比處于怎樣的水平？

　　朱冠楠：通過新研制的硅、石墨烯復(fù)合負(fù)極材料，搭配高鎳三元正極材料，我們?cè)O(shè)計(jì)并制備了18650石墨烯電池，能量密和循環(huán)壽命均達(dá)到國際一流水平。

　　后續(xù)，通過調(diào)控負(fù)極中的硅含量以及電芯工藝優(yōu)化，能量密度可進(jìn)一步提升，并有望提前實(shí)現(xiàn)2020年電池產(chǎn)業(yè)化指標(biāo)。

　　Q：石墨烯現(xiàn)在在各領(lǐng)域都很火，此次研究成果是否還有其他方面的應(yīng)用價(jià)值？

　　朱冠楠：此次研究最主要的成果是制備了硅、石墨烯復(fù)合負(fù)極材料。該成果除了可以用以提升現(xiàn)用的液態(tài)電解質(zhì)電池能量密度，還被我們用于開發(fā)固態(tài)電池。

　　目前，固態(tài)電池在研制過程中，其負(fù)極材料多選用金屬鋰。然而金屬鋰化學(xué)性質(zhì)非常活潑，對(duì)固態(tài)電解質(zhì)、隔膜等部件要求都十分高。而如果選用我們新研制的硅、石墨烯復(fù)合材料做負(fù)極，將在很大程度上降低固態(tài)電池的研制難度和成本。

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