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【行业分析】石墨烯助力 特斯拉等待对的电池

中国电池网2022-08-20 16:47:54




石墨烯将助力超级电容取代锂电池?


相比于锂电池,超级电容充放电速度快、效率高、循环寿命长且安全性高。这些似乎都是如今电动车推广困局的解药。


在锂电池行业正享受着众星捧月般追逐的时候,其潜在的一个对手已悄然走近,虎视眈眈,它就是超级电容。

近期,市场调研公司IDTechEx提出了一个大胆论断——超级电容器将会摧毁锂离子电池市场。在题为《2014-2024年的超级电容市场》报告中,IDTechEx称,到2024年,全球超级电容器市场价值将达到65亿美元,市场份额增大的同时会吞噬电池市场。


所谓超级电容,是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也有称作“电容电池”。

为什么有人认为它必将取代锂电池?主要还是从其性能考虑。相比于锂电池,超级电容充放电速度快、效率高、循环寿命长且安全性高。这些似乎都是如今电动车推广困局的解药。


南车株机今年5月单批量交付的世界首列超级电容100%低地板有轨电车,其采用7500F双电层超级电容,寿命长达10年,充放电次数可达100万次。列车每次进站可快速充电,最大充电时间30秒,最快10秒便能完成充电。

超级电容高于锂电池的安全性能,也在近几年的各类事件中得以彰显。过去一年,波音、苹果、特斯拉等公司都受困于锂电池的安全性,频频引发事件。专家也指出锂电池“本性难移”,很难从技术上弥补其安全性短板。而利用静电电荷存储电能的超级电容本身就保证了其安全性能。


现今,超级电容由于其能量密度低的短板,主要还扮演着锂电池的配角角色。但由于“万能材料”石墨烯的应用,超级电容替代锂电池的脚步似乎越来越近。

研究人员手持柔性全固态超级电容器演示其性能


虽然国内外对此的争论颇多,没有达成共识。但相比国内对于锂电池的高度热情,欧美多国的做法更加平衡。以德国为例,其于2008年颁布的《德国国家电动汽车发展计划》中就将超级电容与锂电池的研发放在同样相等的地位。


在超级电容器的产业化方面,美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累,目前处于领先地位。如美国的 Maxwell,日本的Nec、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等,这些公司目前占据着全球大部分市场。


其中,Maxwell率先尝到了来自中国市场的大蛋糕,据美国投行派杰(Piper Jaffray)分析师Alexander Potter称:宇通公司目前是Maxwell的最大客户,且订单还在加速增长。


近年来,由于看好这一领域广阔的应用前景,中国一些公司也开始积极涉足这一产业。但由于技术壁垒较高,2012年以前,国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家,然而能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有10多家。


不过,鉴于超级电容可应用于新能源发电、智能电网、新能源汽车、节能建筑、工业节能减排等各个行业,不论十年后是否会替代锂电池,它的用途都决定了它的战略价值。


特斯拉瓶颈 电动汽车等待对的电池


如果你有幸造访美国加州像拉霍亚(La Jolla)这些超级富豪云集的地区,或者去到像芒廷维尤(Mountain View)这些高科技公司扎堆的地方,就有机会领略未来。


确切地说,领略汽车业未来。特斯拉、日产聆风和丰田普锐斯或类似的汽车,在路面上比比皆是。电动汽车和混合动力汽车与普通燃油汽车在车流中交相辉映;许多企业、购买中心和家庭也都安装了充电桩。


如果电动汽车厂商们果真如愿以偿,这就是我们在某个时段都会置身于其中的未来;汽车厂商们正不惜投入巨资,让这一幕成为现实。问题是,将小片地区的需求变成全国地区的需求有多容易?


在加州另一处,埃隆·马斯克(Elon Musk)创办的特斯拉汽车公司(Tesla Motors)最近提议计划,在尚未披露的美国西南地区新建一家巨型电池工厂(具体厂址成了热议话题)。这个所谓的“千兆工厂”预计造价高达50亿美元,定于2020年生产的锂离子电池可满足50万辆汽车的需求——年产量超过2013年全球年产量。

可是一些人士认为,等到这家工厂破土开张,特斯拉的计划到时似乎就过时了。IHS Automotive是领先的全球汽车业务情报提供商,该公司的高级规划主管菲尔·戈特认为 , 特斯拉的宏伟计划“恐怕考虑欠周”。原因是,正在研发的新技术有望提供更出色的替代技术,解决专家们所说的电动汽车面临的最大阻碍因素之一。


电动汽车面临的这个问题就是,电池又大又重;因而,安装上去的电池数量很有限。比如说,特斯拉 Model S 的锂电池组平铺在汽车地板上,大概长2米、宽1.2米。在顶级配置车型中,锂电池组提供大约300 英里(482 公里)的行驶里程,之后就需要插入充电桩充电。日产聆风充一次电可以跑 80 英里(128 公里)左右。除此之外,充电过程比起只需加油要慢得多。


那么,如何才能生产出性能更好的电池?从最基本层面来说,电池含有正负极、隔板和电解质。许多不同类型的材料可以用作电解质,不同的材料组合让电池可以贮存不同数量的能量。不过,要是材料发生变化,电池续航时间和安全特征也随之变化,所以总是少不了折中办法。锂离子电池大行其道,但发生过锂电池在飞机上短路起火的事件,因而携带受严格限制。任何活性更强或不稳定的电池都有安全隐患。不过,如果设计出最佳的材料组合,有望获得巨大回报。


在最近研究工作之前的数十年中,电池技术已得到了一系列改进。


最先问世的是铅酸电池,这种电池今天仍然广泛应用于汽车,它们个头庞大。接着出现了镍镉(NiCad)电池,这种可充电电池由此开启了便携式技术唱主角的新时代:笔记本电脑和手机等移动设备,还有我们小时候的遥控汽车。再后来出现了镍氢(NiMH)电池,电池容量或能量密度大概翻了一番。现在,现代化的设备和电动汽车普遍使用锂离子(Li-ion)电池。


展望未来,准备迎接名字越来越复杂的电池技术,比如锂镍锰钴氧(LiNiMnCo)电池。这种材料的特性很复杂;眼下,研究人员致力于不仅搞清楚为何这些材料能工作,还要搞清楚如何工作——电子在材料中移动的基本物理原理。


Abraham)是美国阿尔贡国家实验室的材料科学家,他说:“我们阿尔贡国家实验室在研究一些材料,它们有望将电池当前的能量密度提高一倍。我们先梦想或设想想要处理的材料,然后努力在实验室合成材料。”


目前,备受瞩目的几种电池包括:锂空气电池(更确切地说是锂氧气电池)和锂硫电池。若能做到可以在各种条件下正常工作,锂氧气电池的性能有望比目前的锂离子电池大幅提升,提高整整一个数量级。:“ 这是当前一个非常热门的研究领域。”


的确,大众汽车公司最近暗示,它在研究锂空气电池。由于开发工作还没有最终完成,大众采用的具体的化学/材料组合还没有透露。这家公司的工程师们甚至不愿表示这项技术已在汽车中进行了测试,还是仍处在“实验台”阶段。


不过,虽然这项技术有望带来变革,但想要生产出工作起来持续、可靠、安全的锂空气电池,还面临一大堆技术挑战。到目前为止,试验证明电极很不稳定。


不过世界各地的实验室正在努力破解这个难题,试图克服种种缺点。但愿更重视这些“超锂离子”技术,会确保研发过程加快,并从长远来看,确保汽车跑得更快、跑得更远。