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石墨烯電池:锂電池的繼承者 未來的開拓者

OFweek锂電網訊:日前,重慶市高新區金鳳電子信息産業園産業部宣布正式投産石墨烯手機,“石墨烯手機的正式投産,意味着我們在石墨烯材料智能終端應用上取得了第一個突破點。”該産業園相關負責人對媒體表示。據悉,該産業園還計劃在今明兩年引進20至30家石墨烯企業,并雄心勃勃地制定了2020年前達到400億産值的目标。
1月16日上午,筆者緻電重慶市高新區金鳳電子信息産業園,确認了石墨烯手機已經投入生産的消息。然而電子科技大學教授、博士生導師陳澤祥對此卻深表懷疑,他在電話裡告訴筆者,“可能是炒作”。

而在此之前的2014年12月14日,國家主席習近平前往江蘇産業技術研究院,對有關石墨烯的研發等展開考察,從而在股市又引發了一股石墨烯概念的炒作熱潮,相關闆塊應聲而漲。

石墨烯自2004年被英國曼徹斯特大學兩位科學家發現後,很快因其強度最高、韌性最好、重量最輕等衆多驚人的優良性能而被世人關注。2010年,兩位科學家因該發現而被授予諾貝爾物理學獎。近十年來,有關石墨烯的研究炙手可熱,石墨烯也因其在能源、生物技術、航天航空等領域具有極其廣泛的應用前景而被認為是“具有革命性意義的材料”、“二十一世紀的材料之王”。有專家預計,未來5至10年,全球石墨烯産業規模将超過1000億美元。

然而統計數據顯示,在滬深兩市60多家和石墨烯有關的上市公司中,沒有一家因為石墨烯而獲得利潤,業内分析人士稱“沒有一個賺錢的”。此前,金路集團曾發布公告稱,拟轉讓有關石墨烯的知識産權和技術成果權益。金路集團被迫抛棄“石墨烯”的原因,據解釋是資金緊張,然而卻也引發了市場對于石墨烯現狀的擔憂。
石墨烯前景究竟如何,筆者就此對這一新材料展開調查。

石墨烯電池 衆多驚人特點應用五大領域

根據相關研究報告,石墨烯(Graphene)是一種由C原子經sp2電子軌道雜化後形成的蜂巢狀的準二維結構,是C元素的另外一種同素異形體。與其他新材料相比,石墨烯具有衆多優良的特點,如載流子遷移率高、電流密度大、強度高、導熱率高、最薄最輕最硬,同時具有高性能傳感器、可強化電子輸送、催化劑、吸氫、雙極半導體、無散熱傳輸等功能。由于石墨烯的性能優良、功能衆多而被廣泛應用到锂電子電池、超級電容、導電油墨、觸摸屏、軟性電子、散熱、塗料、傳感器等領域,此外,在高頻電子、環保、光電、聚合物、海水淡化、太陽能電池、燃料電池、催化劑、建築材料等領域,也能發現石墨烯的身影。

目前中國、美國、歐盟、韓國、日本等國家和組織均将石墨烯的研究提升至戰略高度。相關數據顯示,有關石墨烯的專利申請逐年倍增,2009年全球專利申請數量為165篇,2012年則達到1829篇,其中來自中國的專利申請位居第一,達總量的50%以上,占據絕對優勢地位。

有專家預計,未來幾年内,石墨烯将主要用于“超級電容器”、“觸摸屏”、“結構材料”、“傳感器”、“高性能計算機”五大領域。

突破技術障礙有革命性意義

以石墨烯為材料,可以制造出衆多與人們生活息息相關的用品,如電池、夜視鏡、醫用掃描儀、防彈衣、避孕套、3D打印機、彎曲的手機等。而其中為人們所熟知是石墨烯聚合材料電池,即“超級電池”,其成本比傳統锂電池低77%,重量也僅為傳統電池的一半,但儲電量卻是目前市場上性能最好的電池的三倍,以此為電力的電動車将會大大突破以往電池行駛裡程的限制,最高可以行駛1000公裡,而充電時間僅為8分鐘,比傳統锂電池充電時間快十倍。

2014年12月26日,美國電動汽車制造商特斯拉發布了第一代車型Roadster(敞篷跑車)的升級版,續航裡程達到644公裡,比原版393公裡的續航裡程高出60%,電池容量則高出近70%。此前,全球的汽車制造商們主要以三種锂電池為動力:鎳钴鋁酸锂電池(钴酸锂電池)、磷酸鐵锂電池、錳酸锂電池。鎳钴鋁酸锂電池主要應用在美國,以特斯拉為代表;磷酸鐵锂電池主要在中國應用,以比亞迪汽車為代表;錳酸锂電池則主要應用在日本。這三種電池,鎳钴鋁酸锂電池能量密度最高,但高溫下最不穩定,磷酸鐵锂電池雖然最穩定,但能量密度又不高。

由于傳統的锂電池功率密度受限,無法快速吸收和釋放大量能量,而導緻電動汽車的行駛裡程、充電時間等均受到制約,這也是中國新能源汽車推廣長達5年而一直沒有取得預期效果的原因所在。中國預計在2015年銷售純電動汽車和插電式混合動力汽車50萬輛,然而截至2014年12月,新能源汽車銷售量尚且不足6萬輛,差距巨大。這其中除了充電設施不完善,不便充電外,電量有限、續航裡程短是關鍵的技術障礙。

有關研究人員介紹,目前國内主要研究的是将石墨烯運用到锂電池上,而非全新體系的“超級電池”。時至今日,傳統锂電池的技術已經長達20年沒有任何實質性的革新,故石墨烯“超級電池”的出現,對新能源汽車行業來說,無疑具有革命性的意義。

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