深挖新能源車企“痛點(diǎn)”： 石墨烯電池是噱頭，但快充和長續(xù)航有望兼顧

蔚來、上汽智己、廣汽埃安陸續(xù)宣布，將推出續(xù)航里程超過 1000 公里的電動汽車，高調(diào)宣布將進(jìn)入長續(xù)航賽道。不僅如此，廣汽埃安還稱其研發(fā)了一款石墨烯基快充電池，8分鐘就可充滿 80% 的電量，不少人對其真實(shí)性產(chǎn)生了懷疑。

中國科學(xué)院院士、汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任歐陽明高也稱，“如果某一位說他的車既能跑一千公里，又能幾分鐘充完電，還特別地安全，而且成本還非常低，那大家不用相信，因?yàn)檫@在目前是不可能同時達(dá)到的?！?/p>

對此，廣汽集團(tuán)表示，石墨烯基電池針對“快充”，硅負(fù)極電池針對“長續(xù)航”，二者是兩種不同的技術(shù)。盡管如此，我們依然可以感受到車企對于“快充 ”以及 “長續(xù)航 ”能力的執(zhí)著，背后體現(xiàn)的是企業(yè)對于技術(shù)創(chuàng)新上的焦慮，也是其痛點(diǎn)所在。

石墨烯概念圖

國家電動乘用車技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟技術(shù)委員會主任王秉剛在接受采訪時評價道：“車企之所以會產(chǎn)生這種焦慮、攀比，主要是自身人為造成?！薄澳壳靶履茉雌嚲哂幸欢ǖ倪m用范圍，主要以城市內(nèi)部為主，大部分車型能夠做到 400公里、500 公里的續(xù)航，其實(shí)就足夠了?！?/p>

回到技術(shù)問題，車企所宣傳的石墨烯基電池是如何達(dá)到“快充”，硅負(fù)極電池又為何能提供長續(xù)航能力？本文將從技術(shù)角度深度挖掘新能源車企的痛點(diǎn)，探討電動行業(yè)的未來。

當(dāng)石墨烯遇上電池，其噱頭遠(yuǎn)大于價值

廣汽埃安稱其研發(fā)的石墨烯基快充電池，8 分鐘就可充滿 80% 的電量，聽起來比手機(jī)充電的速度還要快得多，可消費(fèi)者真的需要充電這么快嗎？

這里提到一個“石墨烯基電池”的概念，需要注意的是，它并不等于石墨烯電池，而且二者相去甚遠(yuǎn)。

目前看來，石墨烯在電池上的應(yīng)用僅限于用作少量的導(dǎo)電劑，并未對電池的性能做出主要貢獻(xiàn)，也就是說這種以“石墨烯基”命名的電池，就已經(jīng)夸大了電池中石墨烯的作用。

石墨烯是已知強(qiáng)度最高的納米材料之一，它擁有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，電子在石墨烯中流動更快，因此用石墨烯做導(dǎo)電劑可以促進(jìn)快充放。

2016 年底，華為瓦特實(shí)驗(yàn)室推出一款石墨烯基鋰離子電池，據(jù)該實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家李陽興博士當(dāng)時描述稱，這項突破主要來自三個方面：在電解液中加入特殊添加劑，除去痕量水，避免電解液的高溫分解;電池正極選用改性的大單晶三元材料，提高材料的熱穩(wěn)定性;同時，采用新型材料石墨烯，可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱。

在李陽興的描述中，石墨烯被放到了第三位，其對鋰電池的貢獻(xiàn)程度顯而易見。

鑒于石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，它更適合用來制備電容。電容與電池的原理和用處均不同，電容只是用來存儲電荷，充放電都在瞬間完成;而電池是用來儲存電能的，涉及到電能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化，這些也是電容無法完成的。

因此，加入了石墨烯的鋰電池，往往都會提到快充放的特點(diǎn)，而事實(shí)上在電池容量 / 能量上的提升卻微乎其微。

硅元素

當(dāng)然，除了作為導(dǎo)電劑，石墨烯理論上也可以作為負(fù)極電極材料。但專業(yè)人士指出，如果用石墨烯做負(fù)極，不僅效率很低，在性能上還不如直接用硅。拋去技術(shù)問題，在成本上石墨烯與傳統(tǒng)導(dǎo)電炭黑或石墨相比也是天差地別。

中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員陳成猛透露，石墨烯材料自 2011 年起成為學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)，但同時其資本炒作也不斷升級，直到近兩年才慢慢降溫。目前，石墨烯產(chǎn)業(yè)剛剛進(jìn)入發(fā)展的理性軌道，在電池導(dǎo)電劑和導(dǎo)熱材料等個別領(lǐng)域有實(shí)際的應(yīng)用突破。在鋰離子電池領(lǐng)域，石墨烯目前僅作為輔助性的填料使用，在主體材料或電化學(xué)體系沒有技術(shù)突破的情況下，其應(yīng)用僅可改善儲電部分性能，但效果遠(yuǎn)達(dá)不到“顛覆”的程度，將這類電池稱為“石墨烯電池 ”也是不科學(xué)的。

所以在業(yè)內(nèi)人士看來，真正意義上的“石墨烯電池”還不存在。

一位先進(jìn)材料及可再生能源設(shè)備領(lǐng)域的專家表示，真正的石墨烯電池能對電池性能進(jìn)行革新，但市面上真正的石墨烯產(chǎn)品不多，大部分只是噱頭。若要制備石墨烯電池，前提在于降低能耗和提高質(zhì)量把控。

總而言之，目前石墨烯在電池應(yīng)用上還停留在導(dǎo)電劑的階段，它的確可以提升電池性能，但還談不上革命性改變。

電動汽車中“快充” 與“長續(xù)航 ”兩個指標(biāo)孰輕孰重？

據(jù)了解，廣汽埃安稱其最新石墨烯基電池具備 6C 快充能力，結(jié)合 600A 高功率超充設(shè)備，最快 8 分鐘可充電 80%。

這里的 C 指的是電池充放電能力的倍率，比如 1C 就是一小時充滿電，2C 就是半小時充滿電，6C 即 10 分鐘就能充滿。

那么對于電動汽車來說，快充真的有必要嗎？確實(shí)有必要，但眼下還是續(xù)航能力更重要，畢竟很大一部分城市的充電設(shè)備依然較少。

據(jù)中國電動充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟發(fā)布的數(shù)據(jù)，截止 2020 年 9 月，全國充電基礎(chǔ)設(shè)施（公共 + 私人）累計數(shù)量為 141.8 萬臺。從地域來看，公共充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)區(qū)域較為集中的特點(diǎn)依然存在。廣東、上海、江蘇、北京、浙江、山東、安徽、河北、湖北、河南這 Top 10 地區(qū)建設(shè)的公共充電基礎(chǔ)設(shè)施占比達(dá) 70% 以上。其他城市的充電樁普及率依然較低。

這時電動車的續(xù)航能力就顯得尤為重要。那么廣汽埃安、蔚來、上汽智己所宣傳的續(xù)航里程超過 1000 公里是個什么概念？

對于燃油汽車來說，一箱油能夠跑 500 公里左右，按照廣汽埃安等車企的描述，其電動汽車的續(xù)航里程已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了燃油汽車。

國家電動乘用車技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟技術(shù)委員會主任王秉剛在接受時代周報記者采訪時表示：“對于消費(fèi)者來說，這種宣傳其實(shí)并不好?！痹谒磥?，1000 公里續(xù)航并不能作為新能源汽車的技術(shù)指標(biāo)，短時間內(nèi)完成充電，即便能夠做到也會損耗電池，甚至存在一定的安全隱患?！皰侀_車輛重量、充電安全、對電池的傷害、性價比等問題，‘理論上這3個字沒有意義。1000 公里續(xù)航、幾分鐘快充，更像是車企的一種營銷手段。”

此外，王秉剛認(rèn)為目前新能源汽車具有一定的適用范圍，主要以城市內(nèi)部為主，大部分車型能夠做到 400公里～500 公里的續(xù)航就已經(jīng)足夠。

一直以來，電動汽車的續(xù)航能力就是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)問題，盡管車企之間的攀比會人為造成焦慮，但追求技術(shù)進(jìn)步總是好事。

那如何才能提高電池的續(xù)航能力？廣汽埃安等車企又是如何讓電動汽車?yán)m(xù)航 1000 公里成為可能？

硅負(fù)極電池的改善是現(xiàn)階段提升續(xù)航里程的關(guān)鍵

廣汽埃安新能源汽車有限公司總經(jīng)理古惠南表示，“三元鋰電池技術(shù)以鋰為核心，我們推出一個硅負(fù)極技術(shù)，硅負(fù)極改進(jìn)了能量密度。”

他介紹稱，普通的三元鋰電池，電芯能量密度達(dá)到 220、230wh/kg 就“了不起 ”了，而硅負(fù)極電池可達(dá)到 280wh/kg 以上，能大幅提高能量密度，并讓續(xù)航 1000km 成為可能。

事實(shí)上，“硅負(fù)極技術(shù) ”是指在碳負(fù)極電池中加入硅，硅含量的多少決定了電池能量密度的大小，這關(guān)乎電池的續(xù)航性能。不過這項技術(shù)早已投入應(yīng)用，難點(diǎn)在于對硅含量的把握。

以大眾熟知的特斯拉電動車為例，從幾年前的Model S和Model X時期開始，特斯拉就已經(jīng)在石墨負(fù)極中摻雜硅材料，只不過當(dāng)時硅的成分極少。到了Model 3階段，硅的比例再次得到了提升，這給電池性能提升帶來莫大的幫助，目前Model 3的續(xù)航里程在500公里～600 公里左右。

那么為何電動汽車的續(xù)航能力會成為車企的痛點(diǎn)呢？電池中硅的含量就那么難以把握嗎？這就要提到碳和硅的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，二者在地殼中的儲量都比較豐富，化學(xué)性質(zhì)也十分相近。據(jù)了解，硅基材料雖然具有很高的能量密度，卻在充放電過程中存在體積膨脹的弱點(diǎn);而碳質(zhì)負(fù)極能量密度較低，卻有著較高的穩(wěn)定性。

顯然，在硅碳材料的能量密度和穩(wěn)定性之間需要一個平衡，當(dāng)然人們希望硅含量越高越好，這樣電池的續(xù)航能力就會越強(qiáng)，但這個匹配和優(yōu)化的過程難以一步到位，需要反復(fù)進(jìn)行調(diào)試。

燃料電池原理

先進(jìn)材料及可再生能源設(shè)備領(lǐng)域的專家表示，硅負(fù)極電池之所以能夠提高續(xù)航能力，是基于硅具有很高的理論容量。據(jù)悉，目前已知硅負(fù)極材料中最高的理論容量為 4200mAh/g，遠(yuǎn)超石墨負(fù)極的 372mAh/g，摻入硅的硅碳負(fù)極材料容量可達(dá)到 400-650mAh/g 的水平，因此電池能量密度可得到進(jìn)一步提高。

目前在市面上，大部分電池企業(yè)的負(fù)極材料都已經(jīng)添加了硅，并逐漸提高硅的含量?；蛟S將來量變能夠引起質(zhì)的飛躍，硅碳負(fù)極電池能夠達(dá)到最優(yōu)性能。

燃料電池：電動汽車行業(yè)革新的下一個突破口

電動汽車從誕生至今，電池材料的創(chuàng)新是推動其發(fā)展的關(guān)鍵。而電池材料的創(chuàng)新是厚積薄發(fā)的過程，因?yàn)橐胶獗饶芰俊勖?、快充、安全、成本等相互矛盾的性能指?biāo)，需要人們的長期努力。

如今電動汽車在電池研發(fā)方面，一定程度上來說也已陷入了瓶頸期。市面上電動汽車中大部分都是鋰電池，因而在電池技術(shù)上并沒有發(fā)生大的革新。那么電動汽車行業(yè)下一個突破口在哪里？

歐陽明高在今年的中國電動車百人會論壇上表示，“新一代車用動力電池和氫燃料電池等電化學(xué)能源系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化將是汽車動力百年來的歷史性突破?！?/p>

談及這一話題，一位可再生能源設(shè)備領(lǐng)域的專家也透露，他認(rèn)為未來燃料電池有望兼顧“快充”與“高續(xù)航” 這兩大特性。

所謂燃料電池，是一種能夠?qū)⑷剂系幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)裝置，它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。

氫燃料電池有很多優(yōu)點(diǎn)：首先，氫燃料電池能實(shí)現(xiàn)真正意義上的零污染。氫燃料電池車的燃料是氫和氧，通過電化學(xué)反應(yīng)，生成物也只有清潔的水，有效降低了一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、溫室氣體等能夠?qū)Νh(huán)境造成污染的氣體的排放，實(shí)現(xiàn)真正意義的零污染。

其次，氫燃料電池車不存在續(xù)航能力不足的問題，能夠?qū)⒒瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電效率高達(dá) 50% 以上。據(jù)悉，氫燃料電池車行駛里程可輕松達(dá)到 500公里～600 公里。

再者，氫燃料電池能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的快充，加注燃料的時間與傳統(tǒng)燃油車相差無幾。據(jù)了解，加滿燃料僅需 3分鐘～5 分鐘。

不過，氫燃料電池的成本很高，壽命也比較短。據(jù)了解，日本豐田已經(jīng)可以做到使用上萬甚至是幾萬小時，而中國還只停留在幾千小時的壽命。

但即便研發(fā)難度大，也仍需要大力發(fā)展。歐陽明高在演講中提到，氫能是集中式可再生能源大規(guī)模、長周期存儲的最佳途徑。不僅能夠更加充分地利用可再生電力，氫能規(guī)模儲能的經(jīng)濟(jì)性也比電池好，車下固定儲氫大概比儲電成本上大約要低一個數(shù)量級。

數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在的商用車燃料電池發(fā)動機(jī)技術(shù)性能跟5年前相比，所有主要的性能指標(biāo)都有大幅的提升，比如核心指標(biāo)燃料電池壽命提升了 300%。國產(chǎn)燃料電池零部件的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)建立，系統(tǒng)集成能力大幅增強(qiáng)，頭部企業(yè)正在形成。

歐陽明高透露，下一步的重點(diǎn)就是要使燃料電池系統(tǒng)成本十年內(nèi)下降 80% 以上。過去十年鋰離子電池就是這樣發(fā)展的，燃料電池滯后了十年。系統(tǒng)成本要從 2020 年的 5000 元 / 千瓦下降到 2030 年的 600 元 / 千瓦。

“盡管當(dāng)前氫燃料電池汽車發(fā)展還面臨一些挑戰(zhàn)，比如氫燃料產(chǎn)業(yè)鏈自主化程度與技術(shù)水平和燃料電池還有差距，電解綠氫技術(shù)、氫儲運(yùn)技術(shù)、氫安全技術(shù)還需要改進(jìn)提升，氫燃料的成本總體偏高，這是今后 5年～10 年必須努力解決的?！睔W陽明高說。 （摘自美《深科技》）（編輯/小文）