什么是石墨烯電池?嚴(yán)格定義的石墨烯是由碳原子組成的單層石墨，是只有一個(gè)碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有非常好的導(dǎo)熱性、電導(dǎo)性、透光性，而且強(qiáng)度高、超輕薄、比表面積超大。

 

廣義的石墨烯包括雙層石墨烯、多層石墨烯、3D石墨烯、石墨烯氧化物、量子點(diǎn)石墨烯等。因微觀構(gòu)造和表面官能團(tuán)的不同，其性質(zhì)也有很大差異。市場(chǎng)上多數(shù)石墨烯產(chǎn)品都是按照此類劃分，為多層石墨結(jié)構(gòu)。

 

石墨烯產(chǎn)品在電池中的應(yīng)用，在理論上有許多設(shè)想和研究方向，比如石墨烯導(dǎo)電漿料添加至正極，涂于或直接用作隔膜，用作或包裹負(fù)極材料等，以磷酸鐵鋰電池為例，具體地展示了石墨烯在電池產(chǎn)品中的應(yīng)用場(chǎng)景。市場(chǎng)上習(xí)慣把運(yùn)用了石墨烯材料的電池概稱為石墨烯電池，而不特指用作負(fù)極的電池，不是嚴(yán)格意義上的石墨烯電池。

 

石墨烯產(chǎn)品在電池中的應(yīng)用圖解

 

石墨烯粉末應(yīng)用于電池領(lǐng)域主要有四大應(yīng)用：1)正負(fù)極導(dǎo)電添加劑，可提升充電速度。2)石墨烯復(fù)合電極材料，如硅碳復(fù)合負(fù)極材料或包覆磷酸鐵鋰，能夠提升電池容量。3)石墨烯功能涂層，降低電池內(nèi)阻，提升電池壽命。4)石墨烯直接用作負(fù)極，理論比容量是當(dāng)前石墨負(fù)極的兩倍。

 

石墨烯與新型負(fù)極材料的結(jié)合，主要是利用石墨烯片層柔韌性來緩沖這些高容量電極材料在循環(huán)過程中的體積膨脹，同時(shí)考慮石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能可以改善材料顆粒間的電接觸降低極化，這些效用均可有效改善復(fù)合材料的電化學(xué)性能。然而，運(yùn)用常規(guī)的碳材料復(fù)合技術(shù)和工藝，同樣能夠取得類似甚至更好的電化學(xué)性能。比如硅碳復(fù)合負(fù)極材料，相比于普通的干法復(fù)合工藝，復(fù)合石墨烯并沒有明顯改善材料的電化學(xué)性能。因此，石墨烯粉體材料在負(fù)極電極上的應(yīng)用前景尚不明朗，石墨烯用作硅碳負(fù)極的包覆材料或許前景更為光明。

 

 

鋰硫電池理論能量密度高達(dá)2600Wh/kg-1，是未來最具應(yīng)用前景的新型二次電池之一。但其充放電過程中的中間產(chǎn)物在電解液中具有一定的溶解性，易擴(kuò)散到負(fù)極，并與鋰金屬反應(yīng)，造成正極活性物質(zhì)損失，并腐蝕鋰負(fù)極，嚴(yán)重影響了電池的循環(huán)穩(wěn)定性，成為制約其商業(yè)化應(yīng)用最關(guān)鍵問題。該工作借鑒了鐵電材料與光催化領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，簡(jiǎn)單地將鐵電材料BaTiO3作為添加劑加入到正極漿料之中，利用納米BaTiO3自發(fā)極化特性吸附同樣為極性的中間產(chǎn)物，顯著提升鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。比其他思路，該方法操作簡(jiǎn)單，可無縫銜接到目前鋰電池電極制造工藝之中，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

 

 

Nano one公司宣布成功研制無鈷高電壓鋰電池陰極材料——高電壓尖晶石。該材料只含鋰、錳、鎳而不含鈷元素，與已商業(yè)化的含鈷電池材料相比，具有輸出電壓高，壽命長(zhǎng)，安全性高，電池容量和放電功率大的特點(diǎn)，同時(shí)降低了成本、環(huán)保和供應(yīng)鏈的風(fēng)險(xiǎn)壓力。高電壓電池材料重量輕、體積小和成本低的優(yōu)勢(shì)將在未來電動(dòng)汽車和數(shù)碼產(chǎn)品中發(fā)揮重大作用。

 

 

 

鋰空氣電池的基本化學(xué)原理十分簡(jiǎn)單。這種電池通過鋰和氧結(jié)合成過氧化鋰實(shí)現(xiàn)放電，再通過施加電流逆轉(zhuǎn)這一過程而完成充電。放電時(shí)，從負(fù)極出發(fā)的鋰離子在正極與空氣中的氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生一種叫過氧化鋰的固體產(chǎn)物，填充于碳電極的孔隙中。充電時(shí)，化學(xué)過程逆轉(zhuǎn)，過氧化鋰被分解釋放氧氣。

 

鋰空氣電池的原型其實(shí)在很早之前就已經(jīng)被成功制造了出來，該電池的蓄電能力理論上是目前市場(chǎng)上鋰離子電池的10倍，而由于鋰金屬在化學(xué)上具有極其不穩(wěn)定性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在多個(gè)重大缺陷。和目前的可充電電池中盛行的鋰離子技術(shù)相比，鋰空氣電池理論上可存儲(chǔ)的能量要多得多。理論上這樣的能量密度可使電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力接近傳統(tǒng)汽油汽車，而且鋰空氣電池的成本和重量只有現(xiàn)在市面上銷售的電動(dòng)汽車所使用的鋰離子電池的1/5。

 

劍橋?qū)嶒?yàn)室開發(fā)出的鋰空氣電池模型蓄電能力約為3000瓦時(shí)/千克，是現(xiàn)有鋰離子電池的約8倍，可循環(huán)充放電2000次左右，首次循環(huán)充放電效率高達(dá)93%，即充入電池中93%的能量在放電時(shí)都能被使用。但是至少還需10年的工作才能將該電池變?yōu)榭捎糜谄嚭碗娋W(wǎng)蓄電的商業(yè)電池。

 

 

固態(tài)鋰電池是一種使用固體電極和固體電解液的電池。由于固態(tài)鋰電池的功率重量比較高，所以它是電動(dòng)汽車很理想的電池。它的工作原理與液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的原理相通。在構(gòu)造上，全固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰離子電池要簡(jiǎn)單，固體電解質(zhì)除了傳導(dǎo)鋰離子，也充當(dāng)隔膜的角色。因此，在全固態(tài)鋰電池中，電解液、電解質(zhì)鹽、隔膜與黏接劑聚偏氟乙烯等都不需要使用，大大簡(jiǎn)化電池的構(gòu)建步驟。

 

2016年，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所和物理所共同合作研發(fā)出一款全固態(tài)鋰離子電池。使用Co9S8-Li7P3S11作為電解質(zhì)(與液態(tài)電解液的電導(dǎo)率相當(dāng))，Li7P3S11-SuperP作為正極，金屬鋰作為負(fù)極，也就是用石墨做負(fù)極，用硫化物復(fù)合電解質(zhì)，為無機(jī)電解質(zhì)。

 

該款電池用鈷酸鋰做正極，4Ah的電池，這種電池的性能同樣非常優(yōu)異，它的能量密度是240瓦時(shí)/公斤，常溫循環(huán)500次，容量還有88%多。通過了一系列針刺、過充、短路、強(qiáng)制放電、高溫循環(huán)的實(shí)驗(yàn)。

 

 

鋰離子電池在發(fā)生熱失控時(shí)，放熱量最多的是電解液，因此不燃燒電解液是保證電池不燃燒所要解決的最重要問題。微宏歷時(shí)8年研發(fā)出了不燃燒電池技術(shù)，主要從隔膜耐高溫、電解液不燃燒的主動(dòng)防御，與STL智能熱控流體技術(shù)的被動(dòng)防御兩個(gè)層面解決鋰離子電池的安全困局。

 

 

與普通的PE隔膜相比，耐高溫隔膜熔點(diǎn)更高，可以保證電池即便在300攝氏度的高溫下也不會(huì)發(fā)生收縮，防范電池內(nèi)部短路，從而避免熱失控。在解決了鋰離子電池內(nèi)部的電解液以及隔膜的問題，相當(dāng)于為不燃燒電池主動(dòng)設(shè)立了防御措施。

 

STL智能熱控流體技術(shù)是指將電池組浸沒在液體里，利用絕緣導(dǎo)熱液體作為絕緣、阻燃、導(dǎo)熱性能俱佳的材料，能夠在電池組內(nèi)部發(fā)生細(xì)微內(nèi)短路的情況下，快速隔絕熱失控點(diǎn)，同時(shí)利用液體降低熱失控點(diǎn)的溫度，最大程度地降 低了電池組安全風(fēng)險(xiǎn)。STL除了安全以外，也能夠均衡電池組內(nèi)部溫度差異、并利用外部循環(huán)實(shí)現(xiàn)更好的溫度控制，同時(shí)即便電池組漏液，也能及時(shí)通過液體檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，安全更有保障。

 

不燃燒電解液與耐高溫隔膜兩個(gè)主動(dòng)的防御措施，配合STL智能熱控流體這一被動(dòng)防御措施，最終實(shí)現(xiàn)了電池系統(tǒng)級(jí)別的不燃燒、高安全與高性能。

 

 

氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其基本原理是通過氫氣與空氣中的氧氣進(jìn)行非燃燒的氧化還原反應(yīng)，通過催化劑實(shí)現(xiàn)電子與離子的分離，進(jìn)而產(chǎn)生電流，推動(dòng)汽車電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池是最常見的燃料電池，因此氫離子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。

 

目前，世界上僅有3款實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的氫燃料電池車，分別為豐田Mirai、本田Clarity和現(xiàn)代ix35/途勝Fuel Cell氫燃料電池車。

 

在多家歐洲車企加入氫燃料電池車的研發(fā)行列后，預(yù)測(cè)在未來十年左右的時(shí)間里迎來至少14款全新的氫燃料電池車型。由于一座加氫站大約2000萬元的建設(shè)費(fèi)用，加氫站的建設(shè)將是一大挑戰(zhàn)。

 

燃料電池汽車，不改變用戶駕駛習(xí)慣，解決了鋰電池續(xù)航里程焦慮和快速補(bǔ)充能源的問題，在低溫啟動(dòng)、循環(huán)壽命與回收技術(shù)上也接近內(nèi)燃機(jī)的性能，被認(rèn)為是下一代能源技術(shù)。根據(jù)國(guó)際能源署的展望，美國(guó)、歐洲、日本為了實(shí)現(xiàn)2攝氏度的溫控目標(biāo)，2050年燃料電池乘用車保有量將達(dá)1億臺(tái)，占比約30%。目前成本、加氫站、氫氣來源是橫在燃料電池面前的三座大山，需要邁過。預(yù)計(jì)市場(chǎng)加速向上拐點(diǎn)將于2020-2025年出現(xiàn)。

 

 

鋁—石墨雙離子電池，是一種全新的高效、低成本儲(chǔ)能電池。這種新型電池，用石墨取代鋰電池里的鋰化合物，作為正極材料，用鋁箔作為負(fù)極材料和負(fù)極集流體。電解液則由常規(guī)鋰鹽和碳酸酯類有機(jī)溶劑組成，是由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院唐永炳研究員及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的。

 

 

該新型電池在充電過程中，正極石墨發(fā)生陰離子插層反應(yīng)，而鋁負(fù)極發(fā)生鋁-鋰合金化反應(yīng)，放電過程則相反。這種新型反應(yīng)機(jī)理，不僅可以顯著提高電池的工作電壓(3.8-4.6V)，同時(shí)大幅降低電池的質(zhì)量、體積、及制造成本，從而全面提升全電池的能量密度(~220 Wh/kg)。

 

據(jù)悉，500kg的鋁-石墨電池的續(xù)航里程可達(dá)到約550公里，而同等重量的普通電動(dòng)汽車電池，續(xù)航里程最多只有400多公里。新型電池與傳統(tǒng)鋰電技術(shù)相比，鋁-石墨電池可將生產(chǎn)成本降低約40%-50%，能量密度提高至少1.3-2.0倍。若該電池技術(shù)能夠成熟，將會(huì)對(duì)目前動(dòng)力電池格局造成有力沖擊。

 

 

得到了董小姐力挺，鈦酸鋰電池可謂是出盡風(fēng)頭。鈦酸鋰電池未來是否會(huì)成為電池的主流也成為時(shí)下爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。那么鈦酸鋰電池到底什么來路又有何能耐呢?

 

鈦酸鋰電池是一種以鈦酸鋰為負(fù)極的可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池。鈦酸鋰電池可以實(shí)現(xiàn)6分鐘快充放、循環(huán)次數(shù)可達(dá)3萬次以上，這在使用與經(jīng)濟(jì)性上明顯優(yōu)于市場(chǎng)上常見的鋰電池。鈦酸鋰電池在安全性能、充放電以及循環(huán)壽命等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，直指當(dāng)今市面上其它類型動(dòng)力電池的痛點(diǎn)。缺點(diǎn)在于能量密度低、脹氣、價(jià)格高等，因此鈦酸鋰電池在業(yè)內(nèi)的前景褒貶不一。

 

2016年工信部公布的285-291批次《道路機(jī)動(dòng)車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》中有52款車型搭載了鈦酸鋰電池，當(dāng)前搭載的車型以純電動(dòng)客車為主，部分乘用車企也在嘗試將鈦酸鋰電池用于乘用車。三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池。未來動(dòng)力電池市場(chǎng)，鈦酸鋰電池或?qū)⑴c三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池形成三足鼎立態(tài)勢(shì)。

 

 

輝能科技研發(fā)出鋰陶瓷電池，包括FLCB軟板鋰陶瓷電池、PLCB軟包鋰陶瓷電池及ELCB高體積能量密度鋰陶瓷電池三款，除了ELCB系列以外，其余兩款目前均已進(jìn)入量產(chǎn)階段。

 

FLCB軟板鋰陶瓷電池是世界上首款基于FPC軟板基材的鋰電池，不僅擁有極佳的動(dòng)態(tài)彎曲與卷曲能力，而且厚度僅僅只有0.38mm。電池采用了不可燃的固態(tài)陶瓷電解質(zhì)，因此其在受到撞擊、穿刺、水浸或剪切等物理破壞時(shí)，也不會(huì)發(fā)生漏液、起火甚至是爆炸的情況，安全性能非常高。 PLCB軟包鋰陶瓷電池采用鋁塑膜進(jìn)行封裝，因此容量上要比FLCB軟板鋰陶瓷電池大，而且與后者相同，PLCB軟包鋰陶瓷電池在受到物理傷害時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生任何危險(xiǎn)情況。ELCB高體積能量密度鋰陶瓷電池，擁有高達(dá)810Wh/L的特色，電容量達(dá)到了目前市售鋰電池的1.2~1.5倍，同時(shí)其他特性與前兩款產(chǎn)品保持一致。

 

雖然目前FLCB、PLCB等技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且也有不少產(chǎn)品采用這類技術(shù)如HTC One Max的電池皮套等，但由于產(chǎn)能問題，導(dǎo)致這類電池產(chǎn)品目前還無法出現(xiàn)在手機(jī)等設(shè)備上。