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新能源车企“痛点”:石墨烯电池是噱头,快充和长续航有望兼顾

刚刚迈入 2021 年,车企竞争就迎来了新高度。

一月中旬,蔚来、上汽智己、广汽埃安陆续宣布,将推出续航里程超过 1000 公里的电动汽车,高调宣布将进入长续航赛道。不仅如此,广汽埃安还称其研发了一款石墨烯基快充电池,8 分钟就可充满 80% 的电量,不少人对其真实性产生了怀疑。

中国科学院院士、汽车安全与节能国家重点实验室主任欧阳明高也称,“如果某一位说他的车既能跑一千公里,又能几分钟充完电,还特别地安全,而且成本还非常低,那大家不用相信,因为这在目前是不可能同时达到的。”

图|来源:Pixabay

对此,广汽集团表示,石墨烯基电池针对“快充”,硅负极电池针对“长续航”,二者是两种不同的技术。尽管如此,我们依然可以感受到车企对于“快充”以及“长续航”能力的执着,背后体现的是企业对于技术创新上的焦虑,也是其痛点所在。

国家电动乘用车技术创新联盟技术委员会主任王秉刚在接受时代周报记者采访时评价道,“车企之所以会产生这种焦虑、攀比,主要是自身人为造成。”“目前新能源汽车具有一定的适用范围,主要以城市内部为主,大部分车型能够做到 400、500 公里的续航,其实就足够了。”

回到技术问题,车企所宣传的石墨烯基电池是如何达到“快充”,硅负极电池又为何能提供长续航能力?本文将从技术角度深度挖掘新能源车企的痛点,探讨电动行业的未来。

当石墨烯遇上电池,其噱头远大于价值

广汽埃安称其研发的石墨烯基快充电池,8 分钟就可充满 80% 的电量,听起来比手机充电的速度还要快得多,可消费者真的需要充电这么快吗?

这里提到一个“石墨烯基电池”的概念,需要注意的是,它并不等于石墨烯电池,而且二者相去甚远。

目前看来,石墨烯在电池上的应用仅限于用作少量的导电剂,并未对电池的性能做出主要贡献,也就是说这种以“石墨烯基”命名的电池,就已经夸大了电池中石墨烯的作用。

石墨烯是已知强度最高的纳米材料之一,它拥有良好的导热、导电性能,电子在石墨烯中流动更快,因此用石墨烯做导电剂可以促进快充放。

图|石墨烯概念图(来源:Pixabay)

2016 年底,华为瓦特实验室推出一款石墨烯基锂离子电池,据该实验室首席科学家李阳兴博士当时描述称,这项突破主要来自三个方面:在电解液中加入特殊添加剂,除去痕量水,避免电解液的高温分解;电池正极选用改性的大单晶三元材料,提高材料的热稳定性;同时,采用新型材料石墨烯,可实现锂离子电池与环境间的高效散热。

在李阳兴的描述中,石墨烯被放到了第三位,其对锂电池的贡献程度显而易见。

鉴于石墨烯具有优良的导电性能,它更适合用来制备电容。电容与电池的原理和用处均不同,电容只是用来存储电荷,充放电都在瞬间完成;而电池是用来储存电能的,涉及到电能与化学能之间的相互转化,这些也是电容无法完成的。

因此,加入了石墨烯的锂电池,往往都会提到快充放的特点,而事实上在电池容量/能量上的提升却微乎其微。

当然,除了作为导电剂,石墨烯理论上也可以作为负极电极材料。但专业人士指出,如果用石墨烯做负极,不仅效率很低,在性能上还不如直接用硅。抛去技术问题,在成本上石墨烯与传统导电炭黑或石墨相比也是天差地别。

中国科学院山西煤炭化学研究所研究员陈成猛向 DeepTech 透露,石墨烯材料自 2011 年起成为学术研究的热点,但同时其资本炒作也不断升级,直到近两年才慢慢降温。目前,石墨烯产业刚刚进入发展的理性轨道,在电池导电剂和导热材料等个别领域有实际的应用突破。在锂离子电池领域,石墨烯目前仅作为辅助性的填料使用,在主体材料或电化学体系没有技术突破的情况下,其应用仅可改善储电部分性能,但效果远达不到“颠覆”的程度,将这类电池称为“石墨烯电池”也是不科学的。

所以在业内人士看来,真正意义上的“石墨烯电池”还不存在。

一位先进材料及可再生能源设备领域的专家告诉 DeepTech,真正的石墨烯电池能对电池性能进行革新,但市面上真正的石墨烯产品不多,大部分只是噱头。若要制备石墨烯电池,前提在于降低能耗和提高质量把控。

总而言之,目前石墨烯在电池应用上还停留在导电剂的阶段,它的确可以提升电池性能,但还谈不上革命性改变。

电动汽车中“快充”与“长续航”两个指标孰轻孰重?

据了解,广汽埃安称其最新石墨烯基电池具备 6C 快充能力,结合 600A 高功率超充设备,最快 8 分钟可充电 80%。

这里的 C 指的是电池充放电能力的倍率,比如 1C 就是一小时充满电,2C 就是半小时充满电,6C 即 10 分钟就能充满。

那么对于电动汽车来说,快充真的有必要吗?确实有必要,但眼下还是续航能力更重要,毕竟很大一部分城市的充电设备依然较少。

据中国电动充电基础设施促进联盟发布的数据,截止 2020 年 9 月,全国充电基础设施(公共+私人)累计数量为 141.8 万台。从地域来看,公共充电基础设施建设区域较为集中的特点依然存在。广东、上海、江苏、北京、浙江、山东、安徽、河北、湖北、河南这 Top 10 地区建设的公共充电基础设施占比达 70% 以上。其他城市的充电桩普及率依然较低。

这时电动车的续航能力就显得尤为重要。那么广汽埃安、蔚来、上汽智己所宣传的续航里程超过 1000 公里是个什么概念?

对于燃油汽车来说,一箱油能够跑 500 公里左右,按照广汽埃安等车企的描述,其电动汽车的续航里程已经远远超过了燃油汽车。

国家电动乘用车技术创新联盟技术委员会主任王秉刚在接受时代周报记者采访时表示:“对于消费者来说,这种宣传其实并不好。”

在他看来,1000 公里续航并不能作为新能源汽车的技术指标,短时间内完成充电,即便能够做到也会损耗电池,甚至存在一定的安全隐患。“抛开车辆重量、充电安全、对电池的伤害、性价比等问题,‘理论上’这三个字没有意义。1000 公里续航、几分钟快充,更像是车企的一种营销手段。”

此外,王秉刚认为目前新能源汽车具有一定的适用范围,主要以城市内部为主,大部分车型能够做到 400-500 公里的续航就已经足够。

一直以来,电动汽车的续航能力就是业内关注的焦点问题,尽管车企之间的攀比会人为造成焦虑,但追求技术进步总是好事。

那如何才能提高电池的续航能力?广汽埃安等车企又是如何让电动汽车续航 1000 公里成为可能?

硅负极电池的改善是现阶段提升续航里程的关键

广汽埃安新能源汽车有限公司总经理古惠南表示,“三元锂电池技术以锂为核心,我们推出一个硅负极技术,硅负极改进了能量密度。”

他介绍称,普通的三元锂电池,电芯能量密度达到 220、230wh/kg 就“了不起”了,而硅负极电池可达到 280wh/kg 以上,能大幅提高能量密度,并让续航 1000km 成为可能。

事实上,“硅负极技术”是指在碳负极电池中加入硅,硅含量的多少决定了电池能量密度的大小,这关乎电池的续航性能。不过这项技术早已投入应用,难点在于对硅含量的把握。

以大众熟知的特斯拉电动车为例,从几年前的 Model S 和 Model X 时期开始,特斯拉就已经在石墨负极中掺杂硅材料,只不过当时硅的成分极少。到了 Model 3 阶段,硅的比例再次得到了提升,这给电池性能提升带来莫大的帮助,目前 Model 3 的续航里程在 500-600 公里左右。

那么为何电动汽车的续航能力会成为车企的痛点呢?电池中硅的含量就那么难以把握吗?

这就要提到碳和硅的化学性质和物理性质,二者在地壳中的储量都比较丰富,化学性质也十分相近。据了解,硅基材料虽然具有很高的能量密度,却在充放电过程中存在体积膨胀的弱点;而碳质负极能量密度较低,却有着较高的稳定性。

显然,在硅碳材料的能量密度和稳定性之间需要一个平衡,当然人们希望硅含量越高越好,这样电池的续航能力就会越强,但这个匹配和优化的过程难以一步到位,需要反复进行调试。

图|硅元素(来源:Physics World)

先进材料及可再生能源设备领域的专家告诉 DeepTech,硅负极电池之所以能够提高续航能力,是基于硅具有很高的理论容量。据悉,目前已知硅负极材料中最高的理论容量为 4200mAh/g,远超石墨负极的 372mAh/g,掺入硅的硅碳负极材料容量可达到 400-650mAh/g 的水平,因此电池能量密度可得到进一步提高。

目前在市面上,大部分电池企业的负极材料都已经添加了硅,并逐渐提高硅的含量。或许将来量变能够引起质的飞跃,硅碳负极电池能够达到最优性能。

燃料电池:电动汽车行业革新的下一个突破口

电动汽车从诞生至今,电池材料的创新是推动其发展的关键。而电池材料的创新是厚积薄发的过程,因为要平衡比能量、寿命、快充、安全、成本等相互矛盾的性能指标,需要人们的长期努力。

如今电动汽车在电池研发方面,一定程度上来说也已陷入了瓶颈期。市面上电动汽车中大部分都是锂电池,因而在电池技术上并没有发生大的革新。那么电动汽车行业下一个突破口在哪里?

欧阳明高在今年的中国电动车百人会论坛上表示,“新一代车用动力电池和氢燃料电池等电化学能源系统的产业化将是汽车动力百年来的历史性突破。”

谈及这一话题,一位可再生能源设备领域的专家也向 DeepTech 透露,他认为未来燃料电池有望兼顾“快充”与“高续航”这两大特性。

图|燃料电池原理(来源:FCHEA)

所谓燃料电池,是一种能够将燃料的化学能直接转化为电能的化学装置,它不能“储电”而是一个“发电厂”。

氢燃料电池有很多优点:

首先,氢燃料电池能实现真正意义上的零污染。氢燃料电池车的燃料是氢和氧,通过电化学反应,生成物也只有清洁的水,有效降低了一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、温室气体等能够对环境造成污染的气体的排放,实现真正意义的零污染。

其次,氢燃料电池车不存在续航能力不足的问题,能够将化学能直接转换为电能,发电效率高达 50% 以上。据悉,氢燃料电池车行驶里程可轻松达到 500-600 公里。

再者,氢燃料电池能够实现真正意义上的快充,加注燃料的时间与传统燃油车相差无几。据了解,加满燃料仅需 3-5 分钟。

不过,氢燃料电池的成本很高,寿命也比较短。据了解,日本丰田已经可以做到使用上万甚至是几万小时,而中国还只停留在几千小时的寿命。

但即便研发难度大,也仍需要大力发展。欧阳明高在演讲中提到,氢能是集中式可再生能源大规模、长周期存储的最佳途径。不仅能够更加充分地利用可再生电力,氢能规模储能的经济性也比电池好,车下固定储氢大概比储电成本上大约要低一个数量级。

数据显示,现在的商用车燃料电池发动机技术性能跟五年前相比,所有主要的性能指标都有大幅的提升,比如核心指标燃料电池寿命提升了 300%。国产燃料电池零部件的产业链已经建立,系统集成能力大幅增强,头部企业正在形成。

欧阳明高透露,下一步的重点就是要使燃料电池系统成本十年内下降 80% 以上。过去十年锂离子电池就是这样发展的,燃料电池滞后了十年。系统成本要从 2020 年的 5000 元/千瓦下降到 2030 年的 600 元/千瓦。

“尽管当前氢燃料电池汽车发展还面临一些挑战,比如氢燃料产业链自主化程度与技术水平和燃料电池还有差距,电解绿氢技术、氢储运技术、氢安全技术还需要改进提升,氢燃料的成本总体偏高,这是今后 5-10 年必须努力解决的。”欧阳明高说。