電池是電動(dòng)汽車的心臟。盡管目前國家大力推廣電動(dòng)汽車，但是續(xù)航里程短、充電時(shí)間長等短板，依舊阻礙著電動(dòng)汽車大量進(jìn)入尋常百姓家。如今，越來越多的科研院所和汽車企業(yè)正在研發(fā)新一代超級(jí)電池，以解決動(dòng)力電池存在的諸多問題。
被寄予厚望的“新材料之王”石墨烯總是話題不斷。前段時(shí)間，中科院上海硅酸鹽所研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的石墨烯電池更是引發(fā)外界廣泛關(guān)注。該所研究員黃富強(qiáng)帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)、美國賓夕法尼亞大學(xué)合作，合成出一種高性能超級(jí)電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯。該材料具有極佳的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，除了超快速充放電，它還可以循環(huán)充電5萬次以上，有望為電池行業(yè)帶來革命性變化。該成果發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上。
“超級(jí)電池”看好石墨烯
“從電動(dòng)汽車誕生那一天起，科學(xué)家們就一直在探索用各種新材料和新技術(shù)，來提高電池的續(xù)航里程。”河北大學(xué)新能源汽車研究中心王濤博士介紹，電動(dòng)車有100多年的歷史，比燃油車還早半個(gè)世紀(jì)。
據(jù)了解，電動(dòng)車的歷史可追溯到1834年，那一年蘇格蘭人羅伯特·安德森制造了第一輛電動(dòng)汽車，它由一組不可充電的干電池驅(qū)動(dòng)，只能行駛一小段距離。1881年，法國工程師古斯塔夫·特魯夫發(fā)明了以可充電電池——鉛酸電池為動(dòng)力的電動(dòng)車。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，電動(dòng)車進(jìn)入到發(fā)展的黃金時(shí)代，法國、英國和美國相繼出現(xiàn)電動(dòng)車制造公司，電動(dòng)汽車一度占領(lǐng)了40%的汽車市場(chǎng)。然而，20世紀(jì)20年代后，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)不斷更新，再加上燃油汽車行駛里程是電動(dòng)車的3倍，且使用成本低……這種背景下，電動(dòng)車很快從歐美汽車市場(chǎng)中消失了。
“鉛酸電池體積大、質(zhì)量重、充電時(shí)間長、續(xù)航里程較短，再加上電力傳動(dòng)系統(tǒng)的制造成本過高等因素困擾，被市場(chǎng)淘汰也是必然。”王濤表示，20世紀(jì)80年代至90年代，日本和美國的一些汽車廠家也生產(chǎn)過一系列電動(dòng)車，但由于大都采用鉛酸電池，很難取得質(zhì)的突破，最終都是曇花一現(xiàn)。進(jìn)入新世紀(jì)以來，環(huán)境污染、能源日漸枯竭等問題不斷加劇，電動(dòng)汽車再次成為各大車企重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。而且隨著鋰離子電池的引入，電動(dòng)汽車進(jìn)入又一個(gè)飛速發(fā)展的黃金時(shí)期。“與鉛酸電池相比，鋰離子電池在續(xù)航里程、充電時(shí)間、電池壽命等方面，都有了很大的提高，但仍無法達(dá)到與燃油汽車相同的性能。”王濤介紹，目前市面上電動(dòng)汽車，除了售價(jià)昂貴的豪華品牌以外，純電動(dòng)車所標(biāo)稱的續(xù)航里程都在300公里以內(nèi)。
目前，越來越多的科研院所和汽車企業(yè)正在研發(fā)下一代超級(jí)電池，力圖使電動(dòng)汽車取得突破性進(jìn)展。
“電池含有正負(fù)極、隔板和電解質(zhì)。它們由不同的材料組成，而且不同的材料組合可以讓電池貯存不同數(shù)量的能量。”王濤表示，電池的升級(jí)換代，往往體現(xiàn)在電池材料的更新上。目前，許多研究機(jī)構(gòu)正在試圖用新材料研發(fā)超級(jí)電池，而石墨烯就是其中一種。
據(jù)介紹，石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。它是一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且具有極限的薄度，電荷在其中可以快速遷移。也正因如此，許多研究者將石墨烯看作是一種比較理想的蓄電池電極材料。
電池性能不斷突破
“目前，石墨烯已經(jīng)在超級(jí)電容器、鋰空氣電池等儲(chǔ)能材料的研發(fā)中得到應(yīng)用。”王濤介紹，中科院上海硅酸鹽所研究團(tuán)隊(duì)就是利用了石墨烯材料高比表面積、優(yōu)良導(dǎo)電率和穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合成了超級(jí)電容器的新型電極材料。
超級(jí)電容器，是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。與電池類似，超級(jí)電容器主要由電極、電解液、隔膜和集流體組成，其中的電極是決定超級(jí)電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極是雙電層的電荷存儲(chǔ)機(jī)理，其比表面積大、穩(wěn)定性好、功率密度高但電容量小（<250法拉/克），而且現(xiàn)有儲(chǔ)能器件中所使用的電解液通常有毒有害、易燃易爆、安全穩(wěn)定性差。
為破解這一難題，中科院上海硅酸鹽所研究團(tuán)隊(duì)展開持續(xù)攻關(guān)，通過反復(fù)試驗(yàn)，合成了氮摻雜有序介孔石墨烯，該材料是石墨烯廣義家族中的一種新結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，電容量可達(dá)到855法拉/克。而且，該團(tuán)隊(duì)還研究了電極材料中結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氮原子在石墨烯中的結(jié)構(gòu)不僅影響電極材料的氧化還原電位，還決定了電極材料的電容量。這一重要發(fā)現(xiàn)為科研人員設(shè)計(jì)高電化學(xué)活性的電極材料提供了新的思路。
事實(shí)上，石墨烯材料已被汽車電池研究專家廣泛采用。日前，劍橋大學(xué)化學(xué)教授克萊爾格雷和她的團(tuán)隊(duì)利用石墨烯材料攻克了鋰空氣電池開發(fā)中的技術(shù)難關(guān)，相關(guān)成果也發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
據(jù)介紹，鋰空氣電池通過鋰和氧結(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。如何可靠地令上述反應(yīng)反復(fù)發(fā)生是該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)?？巳R爾格雷用石墨烯構(gòu)造高度多孔、海綿狀的碳電極，再加入一些添加劑使之保持化學(xué)穩(wěn)定，解決了之前的鋰空氣電池易爆炸的問題。而且如果能把該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室的演示品轉(zhuǎn)變?yōu)樯唐?，那么汽車只充一次電就能從倫敦駛到愛丁堡（約650公里），所用電池的成本和重量卻只有現(xiàn)在鋰離子電池的1/5。
此外，韓國三星電子也在進(jìn)行旨在硅表面添加石墨烯涂層的硅基陽極物質(zhì)的研究。他們通過在碳化硅電極的表面涂石墨烯涂層，有效地?cái)U(kuò)展了陽極的表面積。同時(shí)與陰極所使用的鋰鈷氧化物進(jìn)行組合，使電池的充電電源的單位體積能量密度有較大的提高，其壽命也增加到鋰離子蓄電池的1.5至1.8倍。
“這些研究成果都表明，在電極中添加石墨烯材料，可以明顯改善電池的充電速度、循環(huán)穩(wěn)定性、使用壽命和能量密度。”王濤表示，不管石墨烯能否成為下一代電池的正負(fù)極材料，合理正確使用石墨烯這一新材料，能夠促進(jìn)電池向更高性能發(fā)展是業(yè)內(nèi)一致認(rèn)可的。
真正上路尚需時(shí)日
石墨烯材料在電池上的應(yīng)用前景毋庸置疑，然而石墨烯電池真正從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，還有很長的路要走。
“在討論石墨烯如何應(yīng)用于電池之前，獲得合格石墨烯產(chǎn)品是第一關(guān)。”王濤介紹，石墨烯的獨(dú)特結(jié)構(gòu)是把雙刃劍，在帶來優(yōu)異特性的同時(shí)，也為其產(chǎn)業(yè)化增加了難度。
據(jù)了解，二維材料之前從來沒有獲得過，石墨烯只是科學(xué)家的一個(gè)假想。2004年，英國物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫根據(jù)兩塊石墨相互摩擦就會(huì)有一片石墨被整體剝離的特性，發(fā)明了制造二維石墨烯的“透明膠法”：他們通過光束、電子束和原子力顯微鏡等設(shè)備來操作，用足夠強(qiáng)力的透明膠粘住石墨層的兩個(gè)面并把它撕開，然后不斷重復(fù)，直到獲得只有一層原子厚的石墨烯。這是個(gè)復(fù)雜工程，因?yàn)?毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬層石墨烯，兩人也因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
然而，這種在實(shí)驗(yàn)室獲取的方法難度太大、成本太高，限制了石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化的步伐。而且，即使是獲得了產(chǎn)業(yè)化的石墨烯材料，也只是制造石墨烯電池的第一步，真正應(yīng)用到電動(dòng)汽車上，還需要等更長的時(shí)間。
據(jù)介紹，鋰離子電池在產(chǎn)業(yè)化前，用了長達(dá)數(shù)年的時(shí)間對(duì)電池的安全性、穩(wěn)定性、壽命及成組技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。而且電池的發(fā)展趨勢(shì)是往能量密度更高的方向發(fā)展，但是能量密度越高，潛在的危險(xiǎn)系數(shù)也將隨之提高。因此，石墨烯電池相關(guān)性能的測(cè)試、改進(jìn)可能會(huì)需要更長的時(shí)間來進(jìn)行。
此外，在生產(chǎn)可行性的驗(yàn)證上也需要兩到三年的時(shí)間。因?yàn)橐豢铍姵貜膶?shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)，在制造過程中對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、工藝路線、制造環(huán)境等都是有很高的要求的，需要不斷地對(duì)制造工藝進(jìn)行調(diào)整。 “雖然沒有明確的時(shí)間表，但我們有理由相信，石墨烯材料會(huì)給汽車電池領(lǐng)域帶來革命性的變化。”王濤打比方說，這種變化好比從盒式錄像帶發(fā)展到光盤，會(huì)極大地改變整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。
