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世界上電阻最小材料 我們離石墨烯電池時代還有多遠?
http://www.scoquf.live 2019-12-30 10:50:17 21IC電子網
電工電氣網】訊
  狹義上來說,石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道呈蜂巢晶格排列構成的單層二維晶體,廣義上來說,10層以內的石墨結構也可稱作石墨烯。這種材料是目前已知的世界上最薄的材料,單層厚度僅有0.34 nm。它不僅是世界上最堅硬、導熱系數最高的材料,也世界上電阻最小的材料,它在常溫下電子遷移率超過15000 cm2/V·s,是理想的電池材料。
  前兩天華為法國分公司在Twitter上發了一則消息稱,明年上半年發布的華為P40系列手機將會使用石墨烯電池。
  消息一出,整個網絡上掀起了一波石墨烯浪潮,大家紛紛討論使用石墨烯電池的手機續航如何強大,石墨烯概念股也一片飚紅,整個電子行業似乎被打了雞血,所有人都在期待石墨烯時代的到來。
  但幾小時后華為官方給熱血上頭的消費者和投資者潑了一盆冷水:‘之前華為法國官推發布消息有誤,P40并沒有搭載石墨烯電池’。雖然被證實是Fake News,但石墨烯電池也不是編撰出來的概念名詞,而是大部分電池能源公司努力的方向。
  從1884年第一輛實用的電動汽車開始,人們就一直為提高電池容量做不懈努力,但從科技樹時間線來看,電池技術一直比其他技術的發展更慢。在智能手機出現之后,電池續航時間的不足對使用手機的影響愈發明顯,一塊充電寶,成了所有手機用戶身上的累贅。
  為了保障用戶的正常使用體驗,電池廠商也一直改良鋰電池的制作工藝,但電池材料改良的速度遠低于其他元件功耗上升的速度。手機厚度/性能/續航成了不可解決的三元悖論,得到其中兩項就必須舍棄一項。
  提升鋰電池能量密度的利器
  好在石墨烯材料橫空出世,2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中用膠帶從石墨中分離出石墨烯,證實了這種萬能材料的存在。他們二人也因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎,可見石墨烯對世界的重要性。
  目前石墨烯電池技術有兩個大方向,一個是作為陽極鑲嵌鋰離子,另一種是作為導電劑存在。作為電極材料可以算是傳統鋰電池的改良版。傳統鋰電池一直采用多層石墨作為鑲嵌結構。如果將石墨分成單層結構(石墨烯),石墨烯作為陽極的鋰電池的理論容量將是傳統鋰電池容量的兩倍以上(>744 mAh·g-1)。
  對于手機電池來說,這樣的電池近乎是夢幻般的存在。試想一下,如果你的手機可以三天一充,手機功能將會發生怎樣的變化。
  電池快充技術的究極方案
  石墨烯對鋰電池的重要性還不僅如此,石墨烯作為目前導熱率最高的材料,如果使用石墨烯對鋰電池進行散熱,鋰電池的快充速度能再次提升一個臺階。之前在2015年的第56屆日本電池大會上,華為就拿出了使用石墨烯為鋰電池散熱的技術,展示了5分鐘即可充滿3000mAh電池48%電量的快充技術成果。
  如果將石墨烯散熱與石墨烯作為電池正極的技術相結合,鋰電池的容量和充電速度將同時獲得提升。
  2017年,三星就宣布開發出了采用石墨烯技術的電池。在三星的演示中,這塊采用石墨烯技術的手機電池容量提升了45%,同時還可以做到12分鐘內充滿電,強大的電池性能,讓人看到了石墨烯電池在電子產品上的潛力。
  電動車續航體驗的拯救者
  期待石墨烯電池的不僅是手機廠商,還有被續航里程困擾的新能源車企,即使是采用三元鋰電池的特斯拉,也無法做到與燃油車媲美的使用體驗,但石墨烯可以改變這種尷尬的局面。
  2014年一家名為Graphenano的西班牙石墨烯創業公司與科爾瓦多大學合作研究出全球首個石墨烯聚合材料電池,用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里,而其充電時間不到8分鐘,可見石墨烯對電池容量和充電速度提升有多大。
  如果未來電動車都使用10分鐘就能充滿電的石墨烯電池,電動車續航難題將不復存在,快充電站將代替加油站。如果車主下車上個廁所就能充滿電,那么電動車將和燃油車一樣方便。
  仍在產業化路上的技術
  材料學不同于其他學科,從原理到產品都有漫長實驗周期。從目前石墨烯的制造和應用程度來看,石墨烯還處于早期階段,雖然2018年全球石墨烯市場規模已經2.73億美元,年均增速也保持在40%的高速增長上,但大部分生產石墨烯的企業都沒有掌握大規模量產石墨烯的技術,生產出來的高純度石墨烯材料售價每克在千元以上。
  這樣昂貴的材料,最多在實驗室研究時才能出現,如果想要商業化,不說技術和產量夠不夠,光價格恐怕都無人買單。石墨烯這種尚且在產業化前期的技術,恐怕還要三五年才可能出現在電子產品中。
  不管從哪方面來看,石墨烯為都是鋰電池突破的關鍵所在。但石墨烯作為一種新型的材料,還是太年輕了些。每當人類發現一種新材料,總要按照原理研究—實驗室生產—規模化生產—產品這一流程進行。
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