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揭开石墨烯的面纱 洞..

揭开石墨烯的面纱 洞悉市场火热的真相
2019-02-20

“充电5分钟,通话N小时。”近些年,这句广告语已经成为某品牌打出的金字招牌,如果走到手机销售柜台,热心的导购还会告诉你,这是厂家使用了“石墨烯电池”的缘故。

4月,刚刚从日内瓦车展回国的正道汽车,再次携旗下三款增程式电动概念车参加上海车展,“综合续驶1000km”、“石墨烯超级电池”,是它此次亮相车展期间最醒目的标签。

8月,又一款据称搭载石墨烯电池的电动汽车Fisker将亮相于世,这家来自美国的电动汽车制造商表示采用石墨烯技术的新车能够延长续航里程、电池寿命,同时缩短充电时间。这则消息传入国内后,媒体称之为:里程碑式的黑科技。

石墨烯又热了,这一次是因为动力电池。其实,石墨烯的热度似乎又从未降低过,但凡涉及石墨烯的投资领域,必定引来大量关注。这是一种怎样神奇的物质?揭开石墨烯的面纱,我们试图去洞悉它的真相。

最薄却最坚硬的碳

石墨烯第一次“热”起来,是在其发现者英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得诺贝尔奖的2010年。

两位科学家研制石墨烯的过程很有意思,他们将石墨分离成较小的碎片,从碎片中剥离出较薄的石墨薄片,然后用塑料胶带粘住薄片的两侧面,撕开胶带,通过反复的粘贴与撕开,获得了越来越薄的石墨片,直至最终成为单原子层的石墨烯。“通俗地讲,纸上的铅笔痕迹如果不断地被摩擦,那么最后可能就会得到石墨烯。”中国汽车技术研究中心试验研究所新能源实验室主任王芳在向记者解释这一物质时,做了一个浅显的说明,同时也揭示了其作为碳元素的本质。

“石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料,所以又称之为单原子层石墨。”在解释石墨烯的特性时,王芳谈道,“作为目前发现的最薄的材料,石墨烯的强度也最大。”比如,面积为1平方米的石墨烯层片可承受4 千克的质量,其强度约为普通钢的100倍,用石墨烯制成的包装袋,可以承受大约2吨的重量。石墨烯在室温下导电导热性能很强,电阻率甚至比铜或银还要低,而它在室温下的热导率是硅的36倍、铜的10倍多。

自然界中的奥妙是无穷的,也正是由于具有高导电性、高导热性、高强度和高刚度,石墨烯在业内被冠以“黑金”或者“新材料之王”的头衔。“它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过试验进行验证,也使得一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验,如今可以在小型实验室内用石墨烯进行。石墨烯还具有所谓的量子霍尔效应,这种诺贝尔奖量级的重要效应在以往是需要在极低温下才能显现的,石墨烯却能将它带到室温下。这是石墨烯给人类物理学研究带来的特殊意义。”王芳说。

近年来,随着新能源汽车和移动通讯设备的发展,如何改进和提升各类动力和储能电池材料的性能,成为业内一直以来关注的一个焦点问题。记者在与多位业内专家交流时了解到,将石墨烯作为基础材料添加到现有的各类电池材料中,已经成为国内各主流电池企业采用的一种普遍的电池生产方式。

据王芳介绍,目前看来,在主流应用技术中,石墨烯所扮演的角色主要有三:一是直接作为正-负极材料;二是作为导电添加剂添加到正负极电极材料中或对电极材料进行复合改性处理,提高电极导电性和充放电倍率性能;三是作为集流体或者集流体涂层,其主要作用在于提高电池功率特性。其中,石墨烯直接作为负极材料时,因其表面特性极易受到外界影响导致稳定性极差,存在首次效率低下等问题,不能满足锂离子电池的性能需求,所以在锂离子电池上的应用主要为后两种方式。"

一位电池企业负责人向记者描述石墨烯在负极材料中的工作原理时谈道:“如锡基、硅基等高容量型的锂离子电池负极材料,存在的问题是随着锂离子反复地嵌入和脱出,电极在充放电过程中,体积变化较大,活性材料剥落,使得电极活性物质之间失去电接触,导致电极表现出较差的循环性能。而石墨烯凭借其独特的二维薄片结构,在充放电过程中体积变化很小,可有效抑制高容量负极材料的体积膨胀,并阻止负极材料的团聚现象。”

更像电池车间里的“味精”

在详细介绍了石墨烯优异的物理和化学特性之后,该负责人话锋一转:“尽管如此,石墨烯在电池材料中仍然被视为辅助材料,使用比例通常不超过所有材料成分的3%,是实实在在的‘配角’,其地位就像做菜时使用的味精。”

石墨烯对电池性能的改善是否真如味精一般?假若果真如此,那么文首所提及的广告语和电动车企的“续航宏图”该如何兑现呢?带着这一问题,记者试图与国内几家研发石墨烯电池的企业取得联系,以求获得答案。

然而,与石墨烯在社会上产生的热度形成鲜明对比、同时也给记者留下深刻印象的却是,石墨烯生产企业负责人在面对记者一系列问题时,却表现出异常的谨慎与冷静。在经过多重打听之后,多家相关企业“不愿多谈”与“暂时保密”的回复,让记者一时间感到更为不解。

兴许确是出于技术保密工作需要,一家来自山西的石墨烯材料研发企业代表甚至警惕地询问记者此次调研“最终目的是什么”,表明采访意图后,最后的对话仍然无果而终。

又或者,那些真正长期使用石墨烯的电池生产企业能够解答一二?

日前,记者带着疑问来到天津力神电池研究院,研究院基础研发部部长王欣全从话题一开始就明确表明态度,石墨烯在这里就是他们的“味精”,准确地讲,当前甚至没有所谓的“石墨烯电池”一说。“这是我们作为一家动力电池企业的基本论调。”在他身后,从电池生产车间发出的机器工作声音一直未有停歇。

在王欣全看来,与其去揭开石墨烯的神秘面纱,这家年产能已达30亿瓦时的电池企业却更愿意把研究精力集中在如何提高锂离子电池比能量上:他们已经把300瓦时/公斤的电池比能量当作2020年目标。王欣全坦言:“这是一个极限,对我们来说压力很大。”

从对话中记者发现,尽管面临上述挑战,力神也并未在石墨烯这种材料上寻找到突破口。“对于提高电池性能,石墨烯确实会产生作用,但是不会颠覆电池技术。力神从2015年就已开始接触石墨烯,在所有产品种类中,石墨烯的使用比例仅为30%。”

另一家电池企业的代表,超威研究院院长刘孝伟向记者表明了相同观点:“石墨烯本是一种纳米碳材料,其化学性能不会有太大改变,所以它在电池中的作用是非常有限的,只是一种辅助材料而已。”他告诉记者,即便是生产出“烯王”的东旭光电,也没有将旗下任何一款电池产品定义为“石墨烯电池”。

从铅酸电池、锂镍电池到镍氢电池、磷酸铁锂电池,不难发现一个规律,那就是它们都是以其中的主要材料或者核心材料得到命名的。“但是‘石墨烯电池’这种提法确实不科学,因为它并没有作为嵌锂电极材料运用于电池中,只是作为辅料应用,电池正极材料仍然采用三元材料、磷酸铁锂或者锰酸锂等活性材料。”王芳表示。

以添加剂的形式存在于电池中,其主要作用在于改善功率特性——这是记者从多数电池企业负责人口中得到的答案。

此外,一则年初的旧闻不得不提。1月14日,2017中国电动汽车百人会论坛上,国家科技部部长万钢在主旨发言中提到:“石墨烯材料正在逐渐地进入电池的应用中。有的朋友跟我说,我们现在用的是石墨烯电池,其实说用了石墨烯是对的,但是全部用石墨烯来做电池,似乎从科学意义上不太准确。”

从时间上看,这应该是国家相关部委领导关于石墨烯电池的最新论断。

谁在“炒作”?

尽管如此,石墨烯在行业内依然很“火”。这是资本市场的炒作行为还是媒体在理解上偏差导致的不实报道?

还是从手机说起。以国产手机“头牌”华为为例,自从2015年宣布和英国曼彻斯特大学的国家石墨烯研究院合作以来,华为时常对外释放出关于石墨烯研发的新进展。尤其是在去年底,一则带有“华为”、“石墨烯”、“锂电池”三个关键词的新闻更是引人关注。当时的报道如下:

“12月1日,华为中央研究院瓦特实验室在第57届日本电池大会上,宣布在锂离子电池领域实现重大研究突破,推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。实验结果显示,以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高10℃,使用寿命是普通锂离子电池的两倍。”

有意思的是,根据业内人士的关注,部分媒体在传播这则消息时却将标题关键词直接锁定为“石墨烯电池”,更有甚者提出“石墨烯商业化时代到来”。而根据华为公开的资料来看,石墨烯只是作为该款电池中的散热材料,仅用于提升锂离子电池散热效果,并且电池电极上也并没有使用石墨烯材料提高导电性,更没有直接使用石墨烯材质制作电池主体。有的观点认为,将其称为“石墨烯基锂离子电池”也有些牵强。

中国科学院宁波材料所研究员刘兆平明确表示:“企业或媒体放大石墨烯作用的做法是不对的,也是不客观的。就目前的电池体系来看,石墨烯不可能在现有体系的电池上产生变革性影响,从实验室到工程应用再到商业化还有很长的路要走。高校和科研机构的科研人员在实验室得出的数据和实际的产业应用还有差距,容易让人曲解、误解,很可能只是概念,没有通过工程化开发,离实际应用距离甚远。目前冠以"石墨烯电池"等相关技术和产品大多涉嫌炒作和忽悠。"

再回到汽车领域。

在一份给本报记者的书面回复中,正道集团就如何看待目前资本市场对石墨烯电池进行的“炒作”行为,提出观点认为:“任何领域,特别是新兴领域,都会引起资本市场的关注,这是正常的。石墨烯电池具备无限的潜力,众多投资者的介入,对于技术的发展与推动,肯定有积极意义。”

不过,在王欣全看来,力神与各类石墨烯供应商打交道时,却必须具备一双“火眼金睛”。“有一些供应商会把石墨烯拿给我们试用,我们根据试用结果向他们提出建议,他们再拿回去改进。但是一些初创公司就不好说了,我们担心可能会利用‘炒作’进行圈钱。”

“材料企业到底愿意投入多大成本在这上面(石墨烯)?这是我们考虑与其合作的要素之一。与我们长期合作的材料供应商,不会单纯地以石墨烯为生,他们有很多其他产业项目。反而是那种仅靠石墨烯生存的企业,在与我们交流之后便没有了下文。我们不确定他是会继续往下做,还是靠这个捞一把。”王欣全说道。

王芳在分析石墨烯热的原因时谈道:“石墨烯本身具有极其特殊的本质特征,人们寄希望石墨烯带来多个领域的科学技术进步,进行一场彻底的颠覆性的科学技术革命,从而改变人类生活。锂离子电池作为新能源和新能源汽车战略新兴产业的重要组成,目前也是投资者关注的热点,两个热点相结合,自然会引发极大关注,从而达到部分群体的炒作目的。”

国内技术仍显逊色

一个有趣的现象是,尽管主流电池企业并未把石墨烯视作“掌上明珠”,但却无一例外地不放弃对其进行跟踪研究。比如,刘孝伟告诉记者,超威此前在俄罗斯设置了石墨烯研究机构;同样,在力神的某些特定的研发体系中,对石墨烯材料也有了一定投入。

刘孝伟告诉记者:“除应用在电池领域,石墨烯还有很多用武之处,比如石墨烯铝合金可以替代航天中的铝材料,并改善铝材料的性能;添加在钢材里面以增加柔韧性,使之成为一种高强度材料;石墨烯单层的导电率非常强,所以它在芯片等领域的用途也大于电池。”

王欣全谈道:“石墨烯和不同材料在一起时,表现出的电化学性能也不同。如果它要在电池里发挥作用,那么前提是一定要与其他电池材料匹配,而关于匹配度的问题正是我们关注的焦点。此外,关于石墨烯研究本身,我们还有很多可以进步的地方,比如在纯度、片径大小(片径越小越不好做)、层数等方面。”说话间,他从手机中调出图片并告诉记者,从宏观上观察,作为导电添加剂的石墨烯是呈液体状的乳液,微观层面的石墨烯才是片状的,使用时必须把石墨烯放在溶剂里,调成电池浆料。“真的有人把石墨烯打成片状来卖。”他调侃道。

记者了解到,与国外更为成熟的研究相比,国内在石墨烯制造方面也稍显逊色。“很少有企业把石墨烯做到薄至十层以内,或者做到径面很小的程度,与其称之为石墨烯,多数产品仍然还是薄层石墨而已,当然这也是我们需要加强研发的方向。”一位电池企业负责人说。

不过,在正道的回复中记者发现,他们在石墨烯的研发工作上另辟蹊径,其中谈道:“石墨烯应用于电池,有很多的方法,作为添加剂是普遍采用的方法,效果的确有限。正道石墨烯超级电池采用完全不同的开发方法,这是真正意义的石墨烯电池,很快会在国内生产。”至于如何实现技术突破,作为公司的核心技术,正道对此表示暂时不对外公开。

我们的采访也止步于此。

回望历史,人类社会在遵循自然规律的基础上,确实曾有许多定论被不断推翻,确实也出现过太多由不可能到可能的转变。倘若有一天,石墨烯果真被揭开那层神秘的面纱,向世界展示出其更为“神奇”、更具颠覆性的能量时,想必每个人都会乐见其成的。

这是科学留给我们的遐想。



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