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    石墨烯基鋰離子電池上市-市場普及率遙遙無期

    日期:2016/8/29 15:15:10 | 人氣:456 | TAG

    據媒體報道東旭光電公司宣稱,推出了世界首款石墨烯基鋰離子電池產品——“烯王”。東旭光電方面稱,通過測試,“烯王”充電用時15分鐘,其充電效率是普通充電產品的24倍,可在-30℃—80℃環境下工作,循環壽命高達3500次左右。

      

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      “‘烯王’的落地開啟了石墨烯在能源領域的應用時代?!睎|旭光電投資負責人、上海碳源匯谷董事長王忠輝表示:“該石墨烯技術是石墨烯在鋰電池應用史上的一次革命性突破,是石墨烯業界翹首以盼的真正的殺手級應用?!?/span>

      消息一出,很快資本市場的一些“獵手們”聲稱,“烯王”的問世標志著中國誕生了真正意義上的石墨烯電池,代表著我國在石墨烯技術上已領先于世界別國,將帶來整個電池產業的變革。

      關于石墨烯電池,“給智能手機充滿電只要幾秒鐘,新能源車一次充電8分鐘,可行駛1000公里……”近些年,在很多文章以及演講場合中,人們時??梢月牭竭@樣的說法。

      在全世界范圍內,這些年新能源汽車發展迅速,但目前,好的電動汽車充一次電至少需花2個小時,大約可跑300公里,而這已經是極高的效率了,更多的電動汽車充一次電則需要花3-4個小時甚至是更多的時間。石墨烯電池概念的出現,讓很多人看到了希望。因此有關石墨烯電池的任何風吹草動,都會在市場上引起很大的風浪?!跋┩酢甭涞?,東旭光電的股價立刻就開啟暴漲模式,一周漲幅曾達40%。數據顯示,東旭光電在近20日的股價漲達60%左右。

      

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      1、目前制備石墨烯極其困難是學界共識

      在回答這個問題之前,我們先來看看究竟什么是石墨烯。2004年,英國曼徹斯特大學的安德烈?蓋姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫從石墨薄片中剝離出了石墨烯,他們二人因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎。這里的石墨烯,是由單層碳原子層構成的蜂窩狀晶格二維原子晶體,理論厚度僅為0.34納米,其具有優異的電學、熱傳導、阻隔性等材料性能,因此其在電池領域的應用被很多人看好,稱之為“材料之王”。

      

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      英國曼徹斯特大學的安德烈?蓋姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫從石墨薄片中剝離出了石墨烯,他們二人因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎

      但實際上,學術界一直對石墨烯有個共同的看法,即目前制造石墨烯的成本過高并且技術方面并不完善,若要實現工業化應用現在還存在很大的困難。

      比如要想獲得電學和機械性能都最佳的石墨烯樣品,依然需要依靠最費時費力費錢的手段——機械剝離法,即用膠帶粘到石墨上,手工把石墨烯離析出來。2004年諾沃肖洛夫他們就是這么制備出石墨烯的。盡管所需的設備和技術含量看起來都很低,但問題是成功率更低,弄點兒樣品做研究還可以,要是進行工業化生產,這樣的手段毫無用途,就是掌握了全世界的石墨礦也沒有任何商業價值。

      2、號稱能量產的多為石墨微片或畸形圓環,并非真正的石墨烯

      經過這些年的努力,盡管科學家們找到了一些能夠增加產量、又能夠降低成本的石墨烯制造方法,但是迄今為止還沒有真的能適合工業化低成本大規模推廣生產的技術。一些廠家宣稱可以量產百噸級別的石墨烯,其實量產出來的根本就不是真正的石墨烯物質。得到的除了單層的石墨烯,還有兩層的、三層的甚至更多層數的石墨微片。

      在另外一個方面,就是用一些新的生產方法得到大量的單層的石墨烯,雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環,但在邊緣部分往往會被打亂,成為五元環或七元環。如果制成石墨烯產品,這些畸形環不但分布在邊緣,還存在于每“一片”在做出來的石墨烯內部,成為結構弱點、容易斷裂。

      中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員高鴻鈞說,在實際應用中,只有沒有任何缺陷的石墨烯才具備強大特性。否則,整個石墨烯產品的強度要被大幅削弱。而事實上,也正是這樣的障礙,真正意義上的石墨烯電池大規模商業化生產目前為時尚早。

      北京有色金屬研究總院高級工程師、清華大學博士劉冠偉在接受北京科技報采訪時表示,即便是現在有企業宣稱有新的石墨烯產品問世了,石墨烯在這種產品中也多是扮演添加劑的角色,其在電池領域也不例外。

      上海交通大學微納科學與技術研究院研究員、博士生導師魏良明主要從事新一代高性能鋰離子電池/超級電容器以及傳感器的研究,他說,現在石墨烯作為單一的產品還未有應用突破,在東旭光電宣稱的世界首款石墨烯基鋰離子電池產品中,石墨烯在其中僅僅是導電或者是電極嵌鋰的復合材料。

      

    石墨烯原子結構示意圖.jpg

      電子顯微鏡觀測下的石墨烯單層碳原子結構

      3、東旭光電公布的“烯王”參數真實性有待檢測

      石墨烯電池又被稱之為超級電池,按照一些科學家們的設想,其應該是利用石墨烯材料打造的全新形態的電池。但是因為技術實現的困難,目前國際上并沒有取得太大的進展。這些年中國也并沒有從全新體系下研發石墨烯電池,目前主流的設想是利用石墨烯改造現有的鋰電子電池,東旭光電推出的“烯王”也是這種思路下的產物。

      正如專家所分析的,為了避免外界的非議和質疑,東旭光電自身的確沒有將“烯王”直接稱之為石墨烯電池,市場上盛傳的概念主要是來自資本市場及外界的炒作。

      盡管東旭光電方面也公布了“烯王”的一些參數。但是有業界人士表示,參數的真實性還有待檢測。中國科學院物理研究所固態離子學課題組組長黃學杰教授說,電池電性能主要有:比能量、能量密度、充放電倍率、循環壽命、日歷壽命、安全性、自放電率、工作溫度范圍等,可以根據不同的應用需求進行設計。而東旭光電在發布會上只提到了充放電倍率、壽命、工作溫度范圍等三個參數,這種單獨提出幾個參數的討論方法一般適用于科研論文,如果作為產品,就必須就電池性能的所有參數展開討論。

      “由于他們公布的參數不全,電池的能量密度究竟是多少,還無法判斷,電池的性能究竟怎么樣目前也不好做出評價?!眲⒐趥ケ硎?。

      在一些研究石墨烯的行業人士看來,“烯王”這樣的石墨烯基鋰電池實際上就類似于一個充電寶,或許能提高充放電速度,但對于電池的容量并沒有什么改觀。并沒有取得革命性的突破。

      

    電池電量示意圖.jpg

      4、嚴謹的研究機構發表論文時不敢輕言”石墨烯電池”

      中國科學院物理研究所固態離子學課題組組長黃學杰教授認為,目前在正極里添加少量石墨烯可以增加正極的電子電導而改善電池的放電倍率特性,但一般添加量不到百分之一,不能說加了一點石墨烯的鋰離子電池就變成了石墨烯電池。

      更何況目前的石墨烯電池只是被添加了一些被稱之為多層石墨烯的石墨片層成分而已。從理論上而言,單層石墨烯導電性最好,用于電池充電時間短,而層數越多導電性越差,用于電池充電時間越長。目前幾乎沒有企業敢聲稱自己是使用單層石墨烯造出了電池,更多的使用的只是石墨烯的混合物,確切地說是含有少量石墨烯成分的細小的多層石墨微片。

      就是一些嚴謹的研究機構在發表權威論文時也不敢輕易用石墨烯電池的說法。2015年12月中旬,中科院上海硅酸鹽所的研究團隊在《科學》上發文指出,其研制出一種高性能超級電容器電極材料,一些媒體盛贊:“該材料具有極佳的電化學儲能特性,可用作電動車的‘超強電池’,這種電池的最大亮點就是充電7分鐘,行駛35公里?!倍笫╇姵馗拍畋槐?。但上海硅酸鹽所的官方網站給出的消息是:“中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強帶領的研究團隊與北京大學、美國賓夕法尼亞大學的科研人員合作,合成了一種有序介孔(中孔之意)少層碳的新型材料?!辈⑶摇犊茖W》雜志上的這篇論文也沒有提到石墨烯,而是碳材料。

      據了解,黃富強在投稿過程中一直采用“介孔石墨烯”的名稱,最后出版時改用少層碳。他們認為,外界將其超級電容器稱作電池也不妥當。事實上,超級電容器確實并非電池,而是介于二次電池和傳統電容器之間的一種電化學儲能裝置。但是現在人常?;煜娙萜髋c電池的概念,把現在利用石墨烯或者石墨多層微片制造的電容器當成了電池,國內外制造的超級電容器當成了超級電池。

      5、炒作”石墨烯電池”概念其噱頭意義遠大于實用價值

      在學術界看來,目前所熱炒的石墨烯電池還是一個偽概念,目前所標榜的石墨烯電池并不存在。中國有數十家上市公司布局石墨烯動力電池領域,然而真正拿得出可以大規模量產裝機產品的幾乎沒有。并且就是在世界范圍內,目前能夠規?;a的石墨烯電池也沒有。

      在劉冠偉看來,現在很多公司炒作這個概念其噱頭意義遠大于實用價值。他甚至表示,石墨烯材料本身具有的納米材料的高比表面積等性質與現在的鋰離子電池工業的技術體系也不兼容,因此應用的希望十分渺茫。

      

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      即使有石墨烯超級電池出現,相信這幾分鐘的充電功率會大到目前沒有任何電壓設備、電纜線能夠承受住如此電壓

      據不完全統計,目前全球已有近300家公司涉足石墨烯研究,包括IBM、英特爾、美國晟碟、陶氏化學、通用、杜邦等。其中,三星、IBM、東芝、韓國科學技術研究所、韓國成均館大學等企業和高校具有較高競爭力。但是大部分企業并沒有在石墨烯電池領域予以布局,相關的專利也十分有限,他們大都布局在柔性器件半導體顯示屏等方面。

      劉冠偉認為,在實驗室做出一個快充的小電池很容易,但是要讓它走出實驗室,實現工業化生產,中間需要解決很多的問題。例如對于“充電8分鐘,行駛1000公里”的描述。某不愿具名的國內新能源車企技術總監認為,即使有這樣的電池出現,相信這幾分鐘的充電功率會大到目前沒有任何電壓設備、電纜線能夠承受住如此電壓。

      因此,目前石墨烯在電池上的應用,主要是和硅結合在電池負極里面代替原來的石墨,這樣可以多吸帶電荷,提升電池的導電率,減少充放電的電阻,性能提升效果也就僅限如此。事實上,在新能源電池領域,石墨烯電池所謂的顛覆性理論從未得到業內人士的認可。盡管石墨烯可以做導電劑,促進鋰電池快速充放,理論上能提高倍率性能,但若分散工藝不到位,混料不均,仍難以發揮效用。

      根據目前的發展態勢,劉冠偉認為在新型柔性電池、器件、顯示、催化劑方面,石墨烯可能是有前景的。但是在蓄電池方面,他并不看好。

      

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      即使有石墨烯超級電池出現,相信這幾分鐘的充電功率會大到目前沒有任何電壓設備、電纜線能夠承受住如此電壓

      6、石墨烯太貴,即使制成電池,普通消費者也難以承受

      劉冠偉說,在鋰電池中應用,石墨烯主要起到的作用,一是導電劑,二是可能做電極嵌鋰材料。其實,這兩點,都是在和傳統的導電碳/石墨競爭?!澳敲磫栴}來了,你知道導電碳/石墨多便宜么?都是論噸賣的,論克賣的石墨烯哪天能降到這個價?現在鋰電池用的各種材料,都是一噸幾萬、十萬左右的東西,而且天天承受著要求降價的壓力,用石墨烯完全不現實?!?這主要是石墨烯太貴。一克上千的價格,這不是一般企業能夠承受得了的。而數年前,石墨烯的價格曾高達每克5000元,遠超黃金價格。另外,就是這樣的電池造出來了,消費者也難以承受。

      2016年4月,東旭光電收購上海碳源匯谷50.5%的股權,成為上海碳源匯谷的控股股東。公開資料顯示,這是一家專注于石墨烯規?;苽?、應用技術開發的企業,在單層氧化石墨烯以及石墨烯的制備、分離和純化技術與工藝方面均取得了突破性進展,規?;墒故┊a品制備成本大幅降低。

      不過即使是這樣,石墨烯的價格依舊不低,“購買的價格主要看你是做什么用,如果只需少量購買,價格是600元/克,需要的規模大的話,可以降低到幾十元?!?月7日下午,上海碳源匯谷一位姓魏的銷售人員對記者表示??蓭资靠说膬r格依舊在市場缺乏競爭力?!跋┩酢弊鳛闁|旭光電自身的產品,盡管石墨烯的原料供應成本可以更低一些,但也不會低到那里去,在采訪中魏姓銷售人員已經否認了他們真實成本只有幾元的說法,“這樣的說法根本就不是從我們這里流傳出去的?!彼f。這意味著用石墨烯作為電池材料的“烯王”未來必然要面臨成本的考驗。

      

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      上海交通大學微納科學與技術研究院研究員、博士生導師魏良明表示,即便是做負極材料,現在業內更傾向于使用硅,因為一方面硅的理論容量并不比石墨烯低,另一方面是硅的價格相對石墨烯而言要低得多。

      近年來,有一些企業宣稱實現了量產,石墨烯價格甚至下降到每克3-5元,但據行業內人士的說法,現在宣稱已經實現量產的石墨烯并非真正單層的石墨烯,而大多是晶格缺陷較高、多層堆疊的石墨微片產品,只能保持石墨烯部分特性。

      7、市場上大量膨脹石墨、石墨微片魚目混珠

      而在我國之所以有眾多的企業加入到生產石墨烯電池的大軍中,其與主要是使用的是石墨烯粉體有很大的關系。目前在石墨烯產品的產業化生產方面,有兩個重要的方向:一個是石墨烯膜,一個是石墨烯粉。石墨烯膜的工業化生產起點高、技術要求強,一般的企業難以涉足。但是對石墨烯粉而言,卻有很大的操作空間。

      因此,石墨烯粉體成為偽石墨稀概念和資本炒作的重災區,除了嚴格意義上的石墨烯外,大量膨脹石墨、石墨微片在其中魚目混珠。由于更薄且層數小于10個原子層的石墨微片具有石墨烯的某些特性,因此添加到電池中,會改善電池的一些性能,不明就里的人就會以為這是石墨烯在發揮作用了。

      就是按照中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟的標準,只有達到10個原子層以下的石墨粉體,才能被稱為石墨烯粉體。然而,概念是一回事,實際是另一回事。企業向原有材料中添加石墨烯粉體,原子層數結構為5層還是10層,或者是更多層數的石墨微片,如果不是使用專業儀器,外人根本就不知道電池里面填的究竟是什么東西,企業添加的粉體到底是不是石墨烯無人知曉。

      其次,粉體中含有5-10層石墨粉體的比例是90%還是只有10%?其中雜質含量又是多少?什么是合格產品?目前也連行業標準都沒有,各企業只能憑良心生產。最后,在應用時,企業到底添加了多少石墨烯粉體用于改善性能?產品性能究竟提高了多少,是90%、50%、還是5%?其中多少性能的提高是因為石墨烯?這些卻都還是一個糊涂賬。

      由于目前沒有國家標準,這讓整個行業混亂不堪。一些地方政府迫切希望打造石墨烯產業,拉動投資,也對這個產業起到了推波助瀾的作用。

      最近,有市場分析人士聲稱,目前我國石墨烯產品和高效蓄電池項目完整產業鏈已經形成,實際上,當前我國石墨烯材料正處于從實驗室走向產業化的關鍵時期,受生產技術成熟度不高、產業化應用路徑長等因素制約,石墨烯批量化生產尚未完全實現。有人認為,這個過程沒有實現,就說我們的石墨烯電池已經可以實現大規模產業化生產完全是癡人說夢。

      因此,一些清醒和業界人士認為,說中國誕生了石墨烯電池,為時尚早。


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