石墨烯电池究竟是快充还是电容?
石墨烯电池在大众、媒体的眼中已经是“超级电池”般的存在，有了石墨烯电池，我们就可以分分钟将手机充满电，手机使用时间寿命也更长等等，这或许是我们最关心的内容了吧?那么，到底什么是石墨烯电池?石墨烯电池什么时候应用?我们一起来探个究竟。我想，大家在看科技圈新闻的时候，一定会经常看到关于“石墨烯电池”的新闻。“某某企业开发出石墨烯电池，充电时间仅原来1/24”、“20秒充满电，某某企业搞出了石墨烯快充电池”、“某某企业公布石墨烯电池，寿命是普通锂电2倍”等等，看到这些文章，有时候我们真的相信，石墨烯电池真的就要发布了。关于石墨烯电池取得的进展不计其数，其中不乏声称即将开发出成型产品，甚至已经有成型产品，但是随后就没有了下文，哪怕是一块小小的手表电池、手机电池，哪怕是随便让我们见到一个石墨烯电池成型产品也好，但是，我们见不到。诚然，石墨烯电池在大众、媒体的眼中已经是“超级电池”般的存在，有了石墨烯电池，我们就可以分分钟将手机充满电，手机使用时间寿命也更长等等，这或许是我们最关心的内容了吧?那么，到底什么是石墨烯电池?石墨烯电池什么时候应用?我们一起来探个究竟。石墨烯电池无数次面世，又无数次不见踪影不过，近日的一条关于“超级电池”的新闻又让电动车厂家们甚是兴奋，各路媒体也是大事宣扬，该新闻称：南京国际节能与新能源汽车展览会”上，来自浙江的超威电池宣布，该公司率先将石墨烯材料运用于量产电池，这在全球还是独一家。不过后来，记者采访了解到，由于时速和续航均超过100公里的主流电动汽车，其动力电池主流是磷酸铁锂电池或锂离子电池，与低速电动车的铅酸电池是完全不同的技术路线，因而超威的这款“全球首款石墨烯电池”并不能应用于主流电动汽车。我们知道，现阶段的电动车都还是以锂电池为主，包括三元锂、磷酸铁锂、锰酸铁锂等等各种锂电池，各厂家也都是在成本、续航、充电时间等方面寻找一个平衡，国家也在政策等形式上鼓励企业进行创新，即便如此，现阶段的电动车，无论是在续航里程还是充电时间、亦或者充电基础设施方面，都很难满足消费者的实际需求，导致电动车的销量迟迟不能快速上升，也不能与传统汽车正面竞争。其实在这之前，关于”石墨烯-超级电池”类似这种噱头十足的研究成果的新闻也不少见。比如国内的华为，在去年底的Mate8的发布会之前，也曾以石墨烯点为宣传点，造成“发布会未开，Mate8已火”的盛况。但是后来，在长达两个半小时的发布会中，华为只字未提“石墨烯”，只是提到了超长续航、快速充电而已，以致于许多人大呼被骗了。还有在15年12月份，中科院上海硅酸盐研究所发布消息称，该所联合北京大学、美国宾夕法尼亚大学展开持续攻关，已研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯，该材料具有极佳的电化学储能特性，可用作电动车的“超强电池”，充电只需7秒钟，即可续航35公里，相关研究成果已于12月18日发表在世界顶级期刊《科学》上。而现在已经马上到2017年了，我们还没有见到一辆石墨烯电池车动车。还有在更早的2014年12月初，西方媒体报道，西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发的石墨烯电池，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里。它被石墨烯研究者称做“超级电池”。这种实验室的研究成果，距离实际商用果然还是太远。被寄予厚望的石墨烯电池究竟是快充还是电容?通过查阅资料我们发现，无论是在百度百科或者维基百科，都没有对石墨烯电池有一个清晰的定义。在百度百科中，大家会发现该词条中并没有对于该电池的反应机理的细致说明，其中主要的信息集中于石墨烯薄膜、石墨烯快充放电容器、以及各种各样的新闻、专家的对石墨烯电池前景的看好等等，这些显然不能让我们理解什么是石墨烯电池。根据美国Graphene-info这个比较权威的石墨烯网站的介绍，“石墨烯电池”的定义是在电极材料中添加了石墨烯材料的电池，而这样解释，显然是误导观众。我们摘录知乎用户@土豆泥同学的一篇关于石墨烯的文章片段，其中对于“石墨烯”电池的定义介绍如下：“根据经典的电化学命名法，一般智能手机使用的锂离子电池应该命名为“钴酸锂-石墨电池”。之所以称为“锂离子电池”，是因为SONY在1991年将锂离子电池投放市场的时候，考虑到经典命名法太过复杂一般人记不住，并且充放电过程是通过锂离子的迁移来实现的，体系中并不含金属锂，因此就称为“Lithiumionbattery”。最终“锂离子电池”这个名称被全世界广泛接受。目前，几乎所有的商品锂离子电池都采用石墨类负极材料，在负极性能相似的情况下，锂离子电池的性能很大程度上取决于正极材料，所以现在锂离子电池也有按照正极来称呼的习惯。比如，磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池、三元电池等，都是针对正极而言的。”从上文我们可以发现，在电池中，以主要作用的成分(磷酸铁锂锂电池)、机理(液流电池等)来命名是一般通用的规则，如此来看“石墨烯电池”呢?实际上，科研界的人对于“石墨烯电池”的相关研究已经很多。但是如果细心分析，就会发现，其实其中很大部分做的是超级电容：在此时，可以通过控制石墨烯的氧化状态等特性，利用其做成电极材料，基于其很大的比表面积的特性来实现快速的电化学反应，即大家耳熟能详的“快速充放”。在大多数新闻中，我们看到关于石墨烯电池的信息多是快速充放，但是快速冲放又不同于电池容量，很少有说能将石墨烯电池容/能量明显增加的。这主要是因为，石墨烯的本征特性(二维纳米材料、高比表面积)决定了其在超级电容中应用的希望比在锂离子电池中要大一些。而超级电容器一般来说，功率密度高于锂离子电池可以实现快充放无误，但是其能量密度(1-20Wh/kg)远低于一般锂离子电池(100-220Wh/kg)，通俗的说就是如果你用超级电容做电动汽车，充电很快，但是续航里程数会让你感觉坑爹。从上可见，即使是应用石墨烯相对靠谱一点的电容领域，在理论上其仍然存在能量密度不足这样的硬伤，声称石墨烯电池、电容可以容量提高30%以上的信息可信度都极低，他们不敢将反应机理，具体数据、产品实测分析结果公之于众，不敢将它们交给大众检验。为什么说石墨烯电池噱头大于实用?我们看到，在百科以及许多专业的电池网站上，很难找到关于石墨烯电池的结构、反应机理示意图，并且缺乏具体的能量密度、电压、循环寿命等具体的技术参数，对于电池工业来说，一个连基本结构等信息都没有明确定义的电池，报道出来的新闻怎能让让相信呢?缺乏最基本的可信度，虚假夸大宣传的可能性极大。这么多年的新闻，或许就是“石墨烯电池”不靠谱的佐证。除此之外，石墨烯真的就没有前途了吗?无在目前来看，采用石墨烯作为电池材料，仍旧有许多内在以及外在的问题噬需解决，这些问题让石墨烯电池犹如一头困兽，至少从目前的科技水平来看是这样的。1、成本问题。传统导电炭黑和石墨都是论吨卖的，而目前，石墨烯是论克卖，不知什么时候才能降到与电炭黑和石墨相近的价格，即便是按照某些媒体报道的石墨烯降低到3元/克，换算成吨也要300万元/吨。再退一步讲，就算“超级电池”真的能制造出来，它的价格也是我们普通用户无法接受的。2、工艺不兼容。石墨烯比表面积过大，会对现有锂离子电池的分散均浆等工序带来一大堆工艺问题。如果电池厂调工艺会是一个巨大的工程，而此时又没有性能指标突破性进步带来的足够的利润空间驱动，加之石墨烯表面特性受化学状态影响巨大，批次稳定性，循环寿命等等都有很多问题，目前来看无法满足生产中遇到的一堆问题。即使以上问题都得到了解决，还有下面的问题存在。3、如果石墨烯做负极(取代理论容量360mAh/g的石墨)：理论上最多是石墨负极两倍的容量(720mAh/g)，效率太低，且性能受表面状态影响极大，反观硅，它的理论容量近石墨的10倍，且在抑制粉化开裂方面这几年来已经有了很多科研和工业等级的成果。硅负极这两年受到了各大电池厂商的重视，其中领军企业松下的4Ah18650电池就已经开始使用硅/碳复合材料负极，只是目前硅负极材料的循环寿命还不是足够的理想，因此还主要针对消费电子市场用途。可以说，硅的实用性比石墨要好上不少。4、外在因素。假如，快速充放的石墨烯电池成功应用市场，至少得有满足配置的充电桩吧?我们拿以上中科院发布的“只需7秒钟，即可续航35公里”的石墨烯电池举例说明：在满电理论续航里程480公里上下的特斯拉ModelS，电池容量为85千瓦时，可在快速充电条件下一小时充满，充电桩的直流输出为125千瓦时，换句话说就是每小时耗电125度。假如将其电池全部换为石墨烯电池，按照“充电7秒钟续航35公里”来计算，这个时间甚至不比普通汽车加油耗时慢。1小时将特斯拉ModelS充满电，充电桩输出是125千瓦时;96秒将特斯拉ModelS充满电，充电桩的输出就是3600÷96&TImes;125=4687.5千瓦时，即1小时耗电4687.5度，在不计损耗下，充电桩充一小时就要耗费4687.5度电!一个充电桩一个小时耗费4687.5度电，假如中国各地都安装了充电桩，充电时的电量下降不知会有多快!恐怕地球的资源都用起来都不够汽车充电的吧。
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