石墨烯新技術(shù)有望大幅提升鋰電池容量

一天不到就用完的鋰電池是不少人在使用智能手機(jī)等電子產(chǎn)品時最大的煩惱。近日，在廈門大學(xué)發(fā)布的一種基于石墨烯技術(shù)的新型添加劑有望解決這一難題。

在當(dāng)天舉行的“石墨烯應(yīng)用技術(shù)研討會”上，美國藍(lán)石科技與輝銳科技聯(lián)合發(fā)布了這一最新合作成果。這種硅基高能負(fù)極材料添加劑可大幅度提升電池容量，且具有很高的穩(wěn)定性。

鋰電池廣泛應(yīng)用在手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴電子設(shè)備、電動汽車等眾多產(chǎn)品中。正常使用下，一個2500毫安時的鋰電池往往撐不過一天，因此業(yè)界一直在努力實(shí)現(xiàn)電池容量的突破，但鋰電池的容量提升在目前已經(jīng)遇到技術(shù)瓶頸。

研討會上，美國藍(lán)石科技首席執(zhí)行官賴中平博士在其“大面積石墨烯制備及其在鋰電池負(fù)極材料應(yīng)用”的報(bào)告中介紹，石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能可以提升電極材料的電導(dǎo)率，進(jìn)而提升鋰離子電池的充放電速度；石墨烯的二維層狀結(jié)構(gòu)可以有效抑制電極材料在充放電過程中因體積變化引起的材料粉化；石墨烯還能很好地改善鋰電池的大電流充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。

他預(yù)計(jì)，新技術(shù)在短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池20%的容量提升，在3－5年內(nèi)達(dá)到容量提升50%的可能性非常大。

除了在容量上的大幅度提升，賴中平說，新技術(shù)還能成倍縮短充電時間，可使電動汽車一次充電行使500公里以上，推動電動汽車盡早進(jìn)入家用。

研討會由2010年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授主講。諾沃肖洛夫教授介紹了當(dāng)前國際上最新的石墨烯應(yīng)用研究進(jìn)展，展望了未來石墨烯在電子信息、醫(yī)藥、光電等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

藍(lán)石科技是全球最早一批專業(yè)開展石墨烯技術(shù)研究的知名企業(yè)，擁有多項(xiàng)石墨烯研究領(lǐng)域?qū)?。輝銳科技是一家國際領(lǐng)先的石墨烯應(yīng)用開發(fā)公司，致力于推動石墨烯在產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。

石墨烯助力動力鋰電池 18分鐘充滿電

我們目前正在研究用以電動汽車的石墨烯電池，希望可以和重慶的相關(guān)企業(yè)合作。”來自意大利的費(fèi)瑞博士介紹，意大利在納米材料石墨烯的研究上很有優(yōu)勢，目前他們在將石墨烯和鋰進(jìn)行組合研發(fā)電動汽車電池，現(xiàn)在已經(jīng)能夠在18分鐘內(nèi)就將電池充滿，一次充電可以跑600公里，而以前需要12個小時，下一步他們的目標(biāo)是幾秒鐘。同時，意大利在制造業(yè)等領(lǐng)域也具有很多的優(yōu)勢，希望能結(jié)合重慶的發(fā)展，和重慶的企業(yè)一起合作。

來自意大利布朗多尼閥門有限公司北京分公司的亞太地區(qū)銷售總監(jiān)亞歷山大，昨日一下飛機(jī)就趕到了對接會現(xiàn)場。他說他們公司有50多年的歷史，2006年進(jìn)入中國并投資建廠，以前想來重慶但沒有渠道，這次意大利企業(yè)組團(tuán)來重慶高交會，他特地趕了過來，希望能拓展中國西南地區(qū)的市場。

100噸石墨烯生產(chǎn)線河北投產(chǎn)

或許有一天，你會把觸屏平板電腦三折兩疊塞進(jìn)口袋；用幾秒鐘將手機(jī)充滿電，用上半個月不用再充；乘坐超輕型飛機(jī)，駕駛輕型汽車，甚至登上人類夢想的上萬英里的太空電梯……

所有這些美妙夢想，都來源于一種特殊材料——石墨烯。

“石墨烯是一種以石墨為原料的納米材料，它是迄今為止世界上已知材料中最輕、最薄、最硬的韌性材料，具有高導(dǎo)電、高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、高比表面積等特點(diǎn)。”4月2日，長期關(guān)注石墨烯發(fā)展的唐山建華實(shí)業(yè)集團(tuán)總裁孟英表示，這種超凡的新材料必將在電動汽車、電子信息等多個領(lǐng)域帶來革命性變革，有望成為下一個萬億級的產(chǎn)業(yè)。

“我們率先研發(fā)出一種新的石墨烯制備方法，適用于低成本大批量規(guī)模生產(chǎn)。”自去年年底，建華實(shí)業(yè)在河北省投產(chǎn)首條年產(chǎn)50萬克石墨烯生產(chǎn)線之后，目前一條年產(chǎn)100噸的生產(chǎn)線正在緊張組裝中，將于5月底正式投產(chǎn)。對于這一令人期待的石墨烯量產(chǎn)技術(shù)新突破，孟英感到，它將為新型工業(yè)化發(fā)展帶來巨大空間。

5小時到30分鐘的顛覆

破解鋰電池充電瓶頸，掀起電動汽車領(lǐng)域革命

充電僅需5小時便可行駛500公里，今年年初，特拉斯在國內(nèi)的上市可謂是“冬天里的一把火”，掀起電動汽車領(lǐng)域的一場革命。

雖然電池技術(shù)向前邁出一大步，但仍存在跑上一會兒需要停下來充5小時電的尷尬，充電時間長依然是鋰電池難以逾越的鴻溝。被視為汽車未來發(fā)展方向的電動汽車，因?yàn)闊o法解決這道瓶頸難題，多年來一直在推廣道路上舉步不前。

“這扇大門，將由石墨烯開啟。”和很多業(yè)內(nèi)專家一樣，孟英非常看好石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，公司的科研團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行石墨烯基超級電容和電池的研發(fā)。石墨烯電池一旦問世，有望將電池容量增加1.5倍，充電時間縮短至幾十分鐘。使用石墨烯基超級電容替代電池，充放電時間最短甚至可以達(dá)到幾秒鐘。

“這也就意味著，以后給電動汽車充電比加油時間還短，這將為電動汽車領(lǐng)域帶來一場顛覆性革命。”孟英表示，目前他們正在布局石墨烯基電容電池生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)將于今年12月底正式投產(chǎn)。

在唐山建華實(shí)業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)基地，記者領(lǐng)略了石墨烯的“神奇”——雖然與石墨同出一源，卻與我們平時所見的鉛筆芯相差甚遠(yuǎn)，石墨烯微片更像是棉花一樣的黑色絮狀物，它薄如蟬翼、輕若鴻毛，僅僅180克就能盛滿一個容量50升的白色塑料桶。

孟英解釋說，石墨烯電池之所以充放電速度快、儲能大，就是利用了石墨烯材料的高比表面積、高導(dǎo)電特性，石墨烯材料的導(dǎo)電性能是銅的10至100倍。傳統(tǒng)鋰電池如果快速充放電，必然導(dǎo)致電流增大，而電流過大會引起電池發(fā)熱而縮短使用壽命，甚至引發(fā)爆炸。利用石墨烯的特性將其添加到鋰電池的正負(fù)極材料中，有望解決這一弊端。

孟英解釋說，鋰電池的工作過程，就是鋰離子從正極到負(fù)極往返擺動的過程。把石墨烯添加到正極材料中，可以提高正極材料的導(dǎo)電能力，增加電池的放電倍率，加快電池的充放電速度。把石墨烯添加到負(fù)極材料中，則可以提高容納鋰離子的能力，增加儲電容量。

“石墨烯的轟動，是因?yàn)樗鼊?chuàng)造了諸多紀(jì)錄，石墨烯一系列神秘的特殊性讓人們對它的應(yīng)用充滿幻想。”孟英這樣描述，石墨烯還是世上最薄、強(qiáng)度最高的材料，它只有0.34納米厚，二十萬層石墨烯疊加起來的厚度大概等于一根頭發(fā)絲的直徑。它比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼材還要高上100倍。該材料幾乎完全透光，透光率在97%以上，有望被用于制造新一代高性能電子學(xué)器件。

目前，該公司近四十人的團(tuán)隊(duì)正在致力于石墨烯下游產(chǎn)業(yè)鏈的開發(fā)及應(yīng)用，同時開發(fā)的產(chǎn)品有十幾種。據(jù)介紹，石墨烯在電子、航天、軍工、新能源、新材料等領(lǐng)域有著無比廣闊的應(yīng)用潛力：憑借石墨烯優(yōu)良的電學(xué)性能，它將是最具潛力取代硅制作超微型晶體管的新型材料，未來計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度有望提高10至100倍；其輕盈堅(jiān)韌的特性，又是制作超輕防彈衣、超輕飛機(jī)材料的首選；利用納米技術(shù)還可以把石墨烯制成一種DNA感測器，用來探測DNA鏈的旋轉(zhuǎn)和位置結(jié)構(gòu)，為基因組測序技術(shù)開辟一條新路徑；石墨烯還可以制成抗菌材料，在殺菌的同時不損傷細(xì)胞。

1克到500噸的突破

石墨片剝離出石墨烯微片，打敗產(chǎn)業(yè)化攔路虎

今年3月初首次到廣東與一家電池企業(yè)洽談合作，孟英僅憑一桶180克的石墨烯微片樣品，不費(fèi)吹灰之力就敲開了合作的大門。看到這桶樣品，廣東方面負(fù)責(zé)人當(dāng)時就“驚呆了”，沒等孟英開口介紹就主動要求開展合作。

“與實(shí)驗(yàn)室以1克為計(jì)量單位相比，這一桶樣品無疑是天文數(shù)字，具備大規(guī)模生產(chǎn)能力是促成雙方合作的最重要因素。”孟英認(rèn)為，“高質(zhì)量、低成本宏量生產(chǎn)工藝是當(dāng)前石墨烯實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵。”

目

前，建華實(shí)業(yè)集團(tuán)石墨烯年產(chǎn)量達(dá)到50萬克，年產(chǎn)100噸的石墨烯生產(chǎn)線也將于5月底投產(chǎn)，各種性能在同行產(chǎn)品中名列前茅。同時，該公司二期年產(chǎn)500噸的生產(chǎn)線已完成了生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)工作，正在籌劃年底前在曹妃甸開工建設(shè)。

那么，石墨怎么才能變成石墨烯？“由于石墨片層與層之間作用力較弱，我們常見的石墨烯大部分都是由石墨片剝離而成。”孟英介紹說，用膠帶黏出石墨烯的辦法顯然不適合工業(yè)化生產(chǎn)。目前業(yè)界主要有化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、熱解碳化硅法等石墨烯批量制備技術(shù)，但全球只有少數(shù)幾家企業(yè)可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

從2009年開始知道石墨烯至今，孟英一直在試圖找出已有制備技術(shù)不能量產(chǎn)的原因。經(jīng)過幾年研究，他的團(tuán)隊(duì)在氧化還原法的基礎(chǔ)上獨(dú)辟蹊徑，對已有制備技術(shù)進(jìn)行了變革，設(shè)計(jì)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)工藝和裝備，使大規(guī)模生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)。

他拿來一摞A4紙邊打比方邊介紹說：“石墨塊就像這摞紙一樣具有層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過以前的處理方法，能將紙與紙之間的距離拉大，但每張紙還會與上下層的紙緊挨在一起，難以從一摞紙中剝離開。這樣有的幾張挨在一起，有的十幾張挨在一起，形成5層以下微片的幾率很小。”

找到了根源，問題便迎刃而解。“關(guān)鍵就是讓每一張紙從紙摞中均勻分散開。”孟英打比方說，如果原來是用小刀切的方式，那么新的工藝更像是在每一張紙之間安放了“炸藥”，所有“炸藥”會在同一時間共同發(fā)揮作用，這樣一摞紙就會均勻炸成一張張分散的紙片。

“炸開后的紙片如果挨得太近，還會重新團(tuán)聚在一起，這樣就會前功盡棄。”孟英介紹說，這個難題可以通過化學(xué)和物理方法解決，讓每一張小紙片失去團(tuán)聚性能，成為一個個獨(dú)立的個體，即使挨得再近也無法重新團(tuán)聚起來。

對此，孟英感觸良深：“聽起來道理似乎很簡單，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量從1克到500噸的突破，五年時間里我們光制備工藝就更新了八代。想要達(dá)到更好的分層效果，每一步工藝路線涉及的材料選定和設(shè)備定型都會像神農(nóng)嘗百草一樣試驗(yàn)成百上千次。”

800元到25元的縮減

從黃金價(jià)降到白菜價(jià)，依然保有黃金品質(zhì)

“我們要做的就是努力使石墨烯從黃金價(jià)降到白菜價(jià)，但依然保有黃金的品質(zhì)。”孟英表示，只有將生產(chǎn)成本降低，才能使石墨烯更廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域中，否則石墨烯將無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。“比如石墨烯電池效果確實(shí)很好，但如果價(jià)格是鋰電池的幾十倍，即便性能再優(yōu)異又有誰會去選擇購買？”

“5月底年產(chǎn)100噸生產(chǎn)線建成以后，我們生產(chǎn)的石墨烯微片成本將降到1克25元錢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于每克800元的市場價(jià)。”孟英認(rèn)為，成本的大幅降低，將會使石墨烯具備參與市場競爭的成本優(yōu)勢。

石墨烯的成本怎樣才能降低？“降低成本主要通過技術(shù)改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。”孟英介紹說，想要達(dá)到上百噸的年產(chǎn)量，只要一條生產(chǎn)線就能實(shí)現(xiàn)，而按照原來的技術(shù)光設(shè)備就要幾萬臺，僅這一項(xiàng)就要投入幾十億資金，設(shè)備折舊、人員工資等費(fèi)用則更不用說。此外，用幾百塊錢的原料替代上萬塊錢的，原料篩選也為降低成本發(fā)揮著重要作用，

他以特斯拉電動汽車使用的18650電池為例介紹說，以每克石墨烯25元計(jì)算，每塊電池需要1.2克左右石墨烯，費(fèi)用為30元錢，這和普通鋰電池價(jià)格相差不是太大。但石墨烯電池的壽命為1萬次，是傳統(tǒng)電池的10倍，10塊傳統(tǒng)電池才能抵1塊石墨烯電池的使用壽命，照此計(jì)算石墨烯電池的價(jià)格反而更低。

“25元錢還遠(yuǎn)未達(dá)到成本極限，隨著研發(fā)深度的增加以及制備工藝的改進(jìn)，成本將越來越低，我們的目標(biāo)是1克幾元錢甚至更低。”孟英對此有著清醒的認(rèn)識，石墨烯價(jià)格越低需求量就越大，需求量的加大還會促進(jìn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，這是一個良性循環(huán)。

“降低成本的同時，還要保證石墨烯的品質(zhì)，這樣石墨烯材料才會更有價(jià)值。”孟英解釋說，比表面積大小是評價(jià)石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，石墨烯比表面積越大，單層率越高，品質(zhì)越好。

石墨烯品質(zhì)的不穩(wěn)定，還會影響到下游產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品的性能穩(wěn)定。孟英舉例說，“比如不同批次石墨烯比表面積相差較大，如果制作成石墨烯電池，那么有的容量是普通鋰電池的1.1倍，有的是1.3倍，還有的甚至更多，在應(yīng)用時就會影響電動汽車性能。”

“通過我們的技術(shù)生產(chǎn)的石墨烯初級產(chǎn)品，比表面積穩(wěn)定在每克550平方米左右，中試結(jié)果最高時可達(dá)到1000平方米左右。”據(jù)孟英介紹，通過控制原料品質(zhì)和生產(chǎn)工藝，該公司生產(chǎn)的石墨烯層數(shù)穩(wěn)定保持在5層以下。