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電池+石墨烯 未來電動車充5分鐘跑300公里?

http://dailynews.sina.com   2018年08月05日 20:54   大洋網-廣州日報

  近年來,純電動汽車的快充技術不斷髮展,“1個小時充滿80%的電量”“30分鐘充滿80%電量”“20分鐘充滿80%電量”……未來的3~5年,純電動汽車只要充電5分鐘就能充滿80%電量,大約能行駛300公里。

  被稱爲“黑金”的石墨烯,在實驗室的研發近年有了突破性的進展。汽車電池電芯加入石墨烯後,充放電效率會有顯著的提升。專家表示,石墨烯在汽車電池上應用,填補了石墨烯高端應用的空白。而這種基於“電池+石墨烯”的快充技術不會停留在實驗室,短則三年,長則五年便將走進市場,搭載在新能源汽車上。

  那麼,石墨烯這個被譽爲“能徹底改變21世紀的黑科技”是如何運用在電池的快速充放電上?帶着這個問題,記者採訪了多家電池企業和電池專家。

  純電動汽車改變人們的出行,而快充則會改變現有的純電出行模式。續航里程一直被認爲是純電動汽車最重要的指標之一,但這也許不再是唯一。“電池+石墨烯”將改變純電的快充時間,這也將釋放純電動汽車更大的潛力。

  將電池和石墨烯結合起來,是近十年才陸續開展相關的研究。據專家介紹,電池的諸多性能指標當中,能量密度排在首位,直接決定續航里程,而續航里程的長短與消費者購買意願成正比。一開始,石墨烯電池就是奔着提升能量密度去研發的。不能說沒有收穫,加入石墨烯之後,電池能量密度能提升5%~10%。但再往上,難以再有突破。這與研究人員最初預期20%~30%的能量密度大相徑庭。

  廣汽研究院石墨烯應用研究創新工作站副首席專家毛文峯博士告訴記者,石墨烯只是一種添加劑。石墨烯與電池的關係,就像是調味料與菜品原料之間的關係。炒菜時,放點雞精,可以提鮮,但不能放多,放多了,菜反而不好吃了。同樣道理,在提升能量密度上,起到決定作用的還是電池本體,而非石墨烯這個添加劑。

  正因爲如此,毛文峯博士認爲,“石墨烯電池”的概念是不成立的。科技進步,最忌喧賓奪主,不能因爲添加了某種添加劑,就大張旗鼓進行註明,並廣而告之,哪怕這種添加劑有光環在身。“我們在飯店點菜,從來沒有看到過什麼菜的菜名是以‘雞精’開頭的”“同樣道理,不能因爲電池應用了石墨烯材料,就稱之爲‘石墨烯電池’,更爲準確的說法是‘電池+石墨烯’”。他認爲,市場對石墨烯電池的追捧,已經超過其實際的技術水平,存在一定的泡沫。

  新能源汽車電池快充時間的縮短,會直接改變現有的純電出行模式:續航里程重要,但不再是唯一。毛文峯描繪他設想中的未來出行模式:純電動汽車綜合續航里程只有400公里,當電量耗盡時,找到快充電樁,5分鐘就能夠充滿電。與汽油車2~3分鐘的加油時間相比,5分鐘的快充時間仍然比較長,但比起目前30~60分鐘的平均快充時間,已經快上許多。

  廣汽新能源總經理古惠南持相同觀點“快充模式一旦普及,純電動車續航里程沒必要600公里,甚至1000公里那麼多,不需要那麼大電池容量和能量密度”。消費者沒必要爲電池多買單,快充快走,使用體驗與汽車加油沒有不同。基於這一觀點,在產品規劃當中,有超過500公里的超長續航里程車型,同時也將提供純電續航里程從300公里到500公里不等的車型,並有插電混動車型供消費者選擇。

  除了快速充放電,由於具備良好的導熱性能,石墨烯能夠提升電池的散熱效果;載流子遷移率決定電導率,較快的載流子遷移率能提升元器件的工作速度;由於導電性能好,石墨烯還可以提升電池的功率密度。

  廣汽新能源技術中心主任許俊海表示,“我們現在的電池系統仍然保留溫控系統,一定程度上增加電池重量,降低能量密度。但隨着電池散熱效果的提升,一旦去掉溫控系統,電池能量密度會越級到一個新高度。”更爲關鍵的一點,隨着新技術應用,汽車企業能夠騰出精力,關注以前關注不到的地方,尤其是電池的功能安全。許俊海口中的“新技術”就包含有石墨烯。

  “少即是多”,這是汽車設計與研發最高的境界。面對石墨烯這種獲得諾貝爾獎的“新材料之王”,敢於做減法,需要莫大的勇氣。但紮根於石墨烯領域的研發人員更多的是逼於無奈。

  清華大學材料學院教授朱宏偉曾在接受採訪時明言,如果石墨烯再找不到應用,無論是資本市場還是基礎研發都會退潮。黎明前的黑暗到底還有多長,沒有人能給出準確的時間。可以肯定,電池尤其汽車電池,是石墨烯公認最接近於應用的領域之一。

  目前,在汽車電池領域,鋰電池仍然是霸主。而根據材料不同,還分爲磷酸鐵鋰、鈦酸鐵鋰以及三元鋰電池。市面上幾乎所有新能源汽車都內置這三類電池,無論是新能源汽車企業的翹楚特斯拉,還是當前新能源汽車領軍者的比亞迪,都在這個“局”中。

  隨着新能源汽車的全面提速,三種技術路線之間的淘汰賽已經分出勝負,磷酸鐵鋰和鈦酸鐵鋰逐漸掉隊,三元鋰電池單獨領跑。

  石墨烯的加入,儘管不能在短時間內作爲單一的品類徹底顛覆鋰電池。但作爲一種添加劑和催化劑,還是能夠改變電池領域的現有格局,讓磷酸鐵鋰看到逆襲希望。公開資料顯示,國軒高科擬將“青島國軒年產3億Ah高比能動力鋰電池產業化項目”調整爲“青島國軒年產2Gwh高比能動力鋰電池項目”。產品類型由三元電池調整爲磷酸鐵鋰電池。在近期接受投資者的調研過程中,國軒高科更表達了自己對磷酸鐵鋰電池應用前景的看法,隨着技術不斷迭代,其認爲未來磷酸鐵鋰市場應用空間依舊非常廣闊。

  一位不願透露名字電池專家表示,假如石墨烯能夠大幅縮短快充時間,隨着補貼滑坡,真正市場化以後,磷酸鐵鋰的低成本、長壽命、高安全性優勢會顯現出來。

  在石墨烯領域,國內和國外企業採取不同的策略。國外是先投入大量資金進行基礎研發,隨後再尋求應用。業內公認對於石墨烯投入研究資金的是三星,申報大量專利,不僅將石墨烯應用在顯示屏上,而且進行石墨烯電池的研發。國內則是先進行模式搭建,建立企業,再找尋下游市場。

  來自中國經濟信息社發佈的《2016-2017中國石墨烯發展年度報告》顯示2016年以來,中國石墨烯企業爆發式增長,年新增企業超過700家,但在具體應用上,過於粗放,大材小用。石墨烯真正能夠發揮作用的應該是能充分利用其“輕、薄、柔”等結構特點的場合,或在微納芯片、光電子等核心器件裏。

  專家表示,石墨烯在汽車電池上應用,填補了石墨烯高端應用的空白。種種跡象表明,在“電池+石墨烯”上,中國處於世界的最前端,而廣州又走在中國的前列。這不僅因爲中國是全球最大汽車市場,同時也是最大新能源汽車市場,市場和消費需求擺在那裏。

  毛文峯強調,市面上存在許多石墨烯製作電容裝置誇張描述,比如充放電速度是鋰電池100倍~1000倍,這些都是炒作,是科學鬧劇,無論理論還是實驗室都是不成立的。

  走出“能量密度”的誤區之後,近年來石墨烯在電池實驗室的研發就陸續有了進展。華爲將石墨烯應用在手機電池上,主要側重散熱,發揮石墨烯優秀的導熱性能。比亞迪使用石墨烯,用於提升汽車電池的功率密度。功率密度和能量密度是截然不同的指標,前者決定純電動車百公里加速度,後者決定純電動車的續航里程。而毛文峯和他的團隊,將主要研究方向聚焦在快速充放電上,也就是提升電池的充放電速率。“不能簡單地換算,但在實驗室裏,電池電芯加入石墨烯後,充放電效率會有顯著的提升。”

  毛文峯介紹,在未來三年,電池能量密度能在現在基礎上提升20%~30%左右。充電速率則不同,未來3~5年,將充電時間能夠縮短一半。“目前,在實驗室裏,我們團隊已經有收穫,純電動汽車電池能夠在5分鐘充滿80%的電量。”可以作爲直接比較的是,目前市面上的快充絕大部分是“1個小時充滿80%的電量”,廣汽新能源是“30分鐘充滿80%電量”,最快的是上汽乘用車,將會在2019年的量產車型上搭載“20分鐘充滿80%電量”的快充技術。

  有人會說,20分鐘與5分鐘沒有太大區別,不就多等15分鐘嗎?我們來設想一下:爲一輛純電動車充電,到達充電樁時發現前面排着兩輛車:假如快充需要20分鐘,就需要60分鐘才能完成充電;而若快充只需5分鐘,只要15分鐘就能開車走人。另外,目前汽油車每加滿一箱油大約需要2~3分鐘,續航里程在600公里左右。5分鐘充滿80%電量,大約能行駛300公里。兩者還是有差距,但差距已經縮小到可忍受的範圍。“基於‘電池+石墨烯’的快充技術不會停留在實驗室,較大可能會走進市場,短則三年,長則五年,會搭載在廣汽集團旗下的新能源汽車上。”

  當然,這其中也存在巨大的變數。變數不僅來自技術本身,還有需要進一步提升的可靠性和安全性,同時還受到其他因素掣肘,包括但不限於配套電池企業的生產水平,生產出來電池的一致性、快充充電樁和充電網絡的硬件支撐、電池管理系統、電池的散熱性能等。

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