我們距離石墨烯動(dòng)力電池應(yīng)用還有多久

電動(dòng)汽車在國家政策的推動(dòng)下開始加速發(fā)展，而對于剛剛接觸純電動(dòng)汽車的消費(fèi)者而言，最為關(guān)心的還是充電時(shí)間和續(xù)航里程的問題。但在目前的技術(shù)水平下，充電時(shí)間與續(xù)航里程往往難以兼得，一種更加專注于增加電池的能量，從而增加續(xù)航里程；而另一種則更加專注于改善動(dòng)力電池的充電性能，以縮短電動(dòng)汽車的充電時(shí)間。

影響動(dòng)力電池充電速度的因素有哪些？

要說影響動(dòng)力電池充電速度的因素，動(dòng)力電池本身所使用的材料起到了至關(guān)重要的作用。充電時(shí)，鋰離子需要加速瞬時(shí)嵌入到負(fù)極，這對動(dòng)力電池負(fù)極快速接收鋰離子的能力有著很大的挑戰(zhàn)。因此，若要想提高動(dòng)力電池的充電速度，其電池電極材料的應(yīng)用成為了關(guān)鍵。

動(dòng)力電池具備更高的充電速率，就意味著電極材質(zhì)較為活躍，日常使用當(dāng)中、特別是充電過程當(dāng)中可能會(huì)帶來更多的不穩(wěn)定性以及更大的發(fā)熱量。因此，通過改善電極材質(zhì)達(dá)到提升充電速率的方式，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池成本的直線上升。

既然充電是一個(gè)充電樁與電動(dòng)汽車交互的行為，那么充電樁也會(huì)影響充電速度的快慢。因不同運(yùn)營商的充電樁，能夠輸出的充電功率也不同。在動(dòng)力電池能夠兼容的情況下，更高的充電功率能夠直接影響充電速度。

動(dòng)力電池的充電、放電，實(shí)質(zhì)上是一種化學(xué)反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)在不同的環(huán)境溫度下會(huì)呈現(xiàn)出不同的反應(yīng)速度。動(dòng)力電池低于理想使用溫度時(shí)，低溫會(huì)降低電極的活躍性，導(dǎo)致充電速度降低；而高于動(dòng)力電池使用溫度時(shí)，電極會(huì)過于活躍產(chǎn)生諸多不穩(wěn)定的因素，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池快速充電新方向？

去年10月，東芝宣布成功研發(fā)新一代車用鋰離子電池，有望在2019年商用。該電池正是采用了鈦鈮氧化物材料，相對目前三元、磷酸鐵鋰等技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)了顛覆性進(jìn)步。新電池具備能量密度高、充電效率快等優(yōu)點(diǎn)，只需充電6分鐘就能達(dá)到90%的電量，可行駛320公里。目前鋰電池平均需30分鐘才能充至80%電量。

石墨烯在鋰電池的應(yīng)用中，主要做負(fù)極活性材料和導(dǎo)電添加劑，可以大幅改善導(dǎo)電情況，降低內(nèi)阻，提升放電及充電速率，容量更高。

近期，三星發(fā)布了一則報(bào)告稱，目前已研發(fā)出了基于石墨烯材料的新電池技術(shù)，基于石墨烯材質(zhì)所造的電池將會(huì)比目前市面上的普通電池高出45% 的容量，能夠在提高容量的同時(shí)擁有比標(biāo)準(zhǔn)充電速度快5倍的充電速度。

但目前的科技水平，在石墨烯的提取過程中仍然存在著很多難題，并無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，提煉的過程當(dāng)中也可能帶倆很大的環(huán)境污染問題。因此，石墨烯動(dòng)力電池若要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用還有很長的路要走。

迄今為止，石墨烯并沒有“引發(fā)鋰離子電池領(lǐng)域技術(shù)革命”。雖然相關(guān)研究聲稱取得了重要進(jìn)展，但其通常沒有明確的應(yīng)用目標(biāo)，使得石墨烯僅僅停留在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域；當(dāng)下的研究常采用不合時(shí)宜的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，與其他材料對比時(shí)使用的指標(biāo)有失公允。研究通常關(guān)注質(zhì)量比容量，然而石墨烯的多孔、低密度導(dǎo)致其體積比容量低，這在實(shí)際應(yīng)用中更加重要，而研究者通常對此視而不見。文獻(xiàn)通常將石墨烯的作用歸因于其提高了電導(dǎo)率，然而石墨烯多孔的結(jié)構(gòu)有利于鋰離子傳導(dǎo)，對這一問題的關(guān)注相當(dāng)少，眾多文獻(xiàn)在對照組實(shí)驗(yàn)中也從來沒考慮過這一問題。

對于新材料的研究通常使用半電池測試，其對電極為金屬鋰。然而，單電極的能量密度、功率密度的實(shí)際上是無意義的，且極具誤導(dǎo)性。在半電池體系下，充放電電壓和庫侖效率是更重要的指標(biāo)。對材料進(jìn)行全電池測試，方能得到更加公允、可靠的評估結(jié)果。然而，在計(jì)算全電池的能量、功率時(shí)，文獻(xiàn)通常只計(jì)算了兩個(gè)電極的其中之一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)虛高。此外，由于石墨烯具有多孔結(jié)構(gòu)，需要加入更多的電解液以充分浸潤，但是沒人考慮過電解液添加量對能量密度的影響。

作者對相關(guān)文獻(xiàn)的分析表明，目前最有效的策略是，石墨烯作為導(dǎo)電碳網(wǎng)絡(luò)與電活性材料復(fù)合。通常石墨烯與高電壓負(fù)極材料（TiO2，LTO）、鋰脫出電位較低合金負(fù)極（Si，Ge）復(fù)合時(shí)性能比較好。而石墨烯與轉(zhuǎn)換機(jī)理負(fù)極材料（金屬氧化物如 Fe3O4）的復(fù)合效果通常不佳。在這些報(bào)道中，復(fù)合材料的制備方法非常重要，總體來說，一鍋合成法等將石墨烯和電極材料緊密結(jié)合的方法比物理混合、機(jī)械混合效果更好。

單純的石墨烯作為活性材料，石墨烯僅在幾個(gè)特定的方面（低溫性能、高功率輸出等）優(yōu)于商用石墨負(fù)極。（需要強(qiáng)調(diào)，在這方面應(yīng)用的石墨烯是指多層石墨烯；單層和雙層石墨烯無法作為鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)。）石墨烯作為鋰離子電池負(fù)極的劣勢包括其較高的電位、儲(chǔ)能效率低下、SEI膜形成過程中大量的不可逆容量。因此，石墨烯作為負(fù)極時(shí)必須做預(yù)鋰化處理，這增加了電池制造難度。作者不看好預(yù)鋰技術(shù)的商業(yè)化前景。

石墨烯制備方法多樣（圖3）。作者認(rèn)為，液相剝離和CVD法制備的石墨烯比RGO效果更好，然而通常研究使用后者。此外，作者看好采用雜原子摻雜的策略改善石墨烯穩(wěn)定性和提高鋰離子電池容量。

以下是文章原圖：

圖1 石墨烯用于鋰離子電池負(fù)極的相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)

圖2 典型的鋰離子電池負(fù)極材料的充放電曲線

圖3 文獻(xiàn)中采用的石墨烯的種類

圖4 歷年來重要的研究發(fā)現(xiàn)

圖5 歷年來材料結(jié)構(gòu)的發(fā)展