您的位置:      首页  /  石墨烯  /  “快速充电”石墨烯电池横空出世
“快速充电”石墨烯电池横空出世
2018-11-15 14:22:35
摘要:2018年10月22日,中国三星官方微博预告了三星将在手机中采用石墨烯电池。

       中国三星官方微博强调,石墨烯电池本质上还是一种锂电池,只不过“锂离子在石墨烯表面与电极之间大量穿梭”。这个电池是三星综合技术研究院与首尔大学化学与生物学院合作研发出来的。

       那么问题来了……

       石墨烯到底是什么?石墨烯是一种新型的二维材料。

       什么是二维呢?我们知道,我们人类生活在其中的空间是三维的,每一个墙角都有3个相互垂直的方向,这就是三维空间的基本特征。而对于一张纸来说,如果我们不考虑纸张的厚度,那么这张摊平了的纸可以用一个平面直角坐标系来覆盖,纸上的每一个点都有一个坐标,这个坐标只需要(X,Y)两个数字就够了,所以,一张纸是二维的。

       石墨烯与纸也差不多,但石墨烯比纸张更薄,石墨烯的厚度可以看成近似为零,因为它只是一层单原子石墨。单个原子的半径在1个纳米左右,所以石墨烯可以被看成是一种纳米材料。

       石墨烯是20年前由英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆以及他的研究生们发现的。据说当时安德烈·海姆让他手下的一位中国留学生寻找石墨烯,但这个中国研究生做了几个月,分离出来的石墨的厚度始终停留在微米量级,距离纳米级别的单层石墨还有1000倍的差距。就在这个进退两难的窘境里,安德烈·海姆的博士后康斯坦丁·诺沃肖突发奇想,他想到用胶带纸来撕石墨片层,最终也许可以得到单层石墨烯。他们就是用这样一个很“幼稚”的点子,制备出了世界上第一个二维的晶体物质石墨烯。这个项目在得到了2010年的诺贝尔物理学奖后,引起了产业界的极大兴趣。

       对于三星来说,他们宣布造出了石墨烯电池,这个新的石墨烯电池最大的优点是安全性和极高的充电速度。

       什么是石墨烯电池?石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,这个薄膜的厚度只有一个碳原子的直径。正如中国三星在微博里指出的那样,石墨烯电池是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动而开发的一种电池。

       据相关介绍,石墨烯电池12分钟就可以充满3000mAh+容量电池,因此可以实现真正的“快速充电”。

       那么,为什么锂离子可以在石墨烯表面之间快速穿梭呢?这一点目前还没有相关的详细报道。不过,公开资料显示,石墨烯的导电速度是硅的140倍,所以从这个意义上来说,快速充电也许与石墨烯的导电速度有关。据报道,三星综合技术研究院的研究人员发现,利用二氧化碳气体他们可以把石墨烯做成爆米花的形状,他们把这种爆米花称为“石墨烯球”。把这些石墨烯球覆盖在电池电极的表面做成正极保护膜,这就可以提高充电速度。

       一般的锂电池需要充电1小时也就是60分钟才能充满,而这种石墨烯电池则可以缩短为12分钟。用上了石墨烯的锂电池的充电速度变成原来的5倍,这简直就是把原来的羊肠小道变成了高速公路。而且,相对一般锂电池来说,石墨烯电池的安全性也大大提高,它不会因为温度升高而出现传统锂电子那样发热起火的问题(三星的手机电池曾经发生过多起爆炸起火事件,所以三星对电池的安全性有着非常迫切的需求)。

       石墨烯电池的最终效果还需要市场的检验。在消费电子领域,充电速度一直是厂家必争之地。所以,有不少厂商都把充电时间作为产品宣传的核心要素。三星的这款石墨烯电池如果真的能实现5倍快进充电,那么其市场潜力可以说是无限的。

       在全球电子设备市场,锂电池的地位非常特殊,它是动力之源,没有电池,电子设备无法工作。因此在股票市场,锂电池概念也一直受到资金的追捧,比如以前的赣锋锂业就是一只在A股市场上的大牛股。

       但是,所有有研发经验的人都有一些体会:一个产品在某方面上性能的提升,很可能是牺牲另外一方面的技术指标换来的。这种不可对易性可以成为高科技产品研发的一个常见现象。

       那么,石墨烯锂电池优点是不是真的像宣传报道的那样突出呢?因为大多数老百姓缺乏锂电池的相关专业知识,对此也不好判断。而舆论上对这种石墨烯电池的评价褒贬不一。有一种观点认为,石墨烯电池虽然充放电速度快,但它还有一个最大的问题,那就是它的总电量会降低,只能达到现有锂电池的一半,而且这还是一个理论极限(一块石墨烯电池达不到相同体积的锂电池的电量,因为正极需要容纳锂离子,负极需要容纳锂原子的,中间还得隔开不能短路,还得有电解质,这限制了体积利用效率。)实际工业化产品由于工艺及成本问题,电池的总电量往往只能有同体积锂电池的20%左右。因此,虽然充电速度提高了,但充电的总电量降低了,这会引起手机等电子产品的待机时间减少,这对于苛刻的用户来说也许是不能接受的。

       另外一方面,石墨烯电池还有一个天生的大问题就是成本问题。石墨烯电池的制备成本很高,这也许也是石墨烯电池无法大规模商业化应用的其中一个原因。

       所以,到底是骡子是马,还得拉出来溜溜,石墨烯电池作为一个工业品,市场才是检验石墨烯电池的唯一标准。

       中国华为的石墨烯电池怎么样?三星已经推出了石墨烯电池,虽然目前公众对三星的采取的石墨烯技术路线图还不是很清晰。但毫无疑问,如果石墨烯电池真的具有市场优势,那么这必将在消费电子领域引起伟大的变革。

       在这个关键的时间点上,中国企业又有什么动作呢?中国的华为以追求高技术创新闻名于世,而且华为在芯片与手机等领域都与三星存在直接竞争,那么华为是不是也布局了石墨烯电池的研发呢?

       最近,华为发布了Mate20手机,这款手机也用到了相关的石墨烯技术,但并非真正的石墨烯电池。华为在手机中采用石墨烯技术+液冷散热系统组合的散热系统,实现了急速冷却性能。至于这种散热方法中石墨烯到底是如何起作用的,还需要进一步考察。

       事情还没有那么简单。在2016年12月,华为中央研究院瓦特实验室在第57届日本电池大会上,也宣布自己在锂离子电池领域实现重大研究突破。华为推出了业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。华为方面表示,他们所做的实验显示,以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高 10 ℃,使用寿命是普通锂离子电池的2倍。

       从华为的表态来看,华为的石墨烯电池的主要优点是耐高温,使用寿命长,而不是三星宣传的“快速充电”。因此,也许华为与三星在石墨烯电池上走的是不同的技术路线,所以才有了不同的技术结果。

       现在看来,华为与三星都在石墨烯电池上进行攻关,无论是哪家成功将石墨烯材质电池投入量产并且封锁相关专利,这都会给对方造成相关的专利壁垒,而会给公司的营收和全球地位提升带来巨大的帮助。

       石墨烯电池是一种“里程碑式的黑科技”,但它的技术细节需要不断探索,它的实际效果还有待市场的检验。虽然石墨烯是一个被中小企业炒作过度的概念,但作为行业巨头的三星与华为在石墨烯电池上的努力肯定是脚踏实地的。

储能会展
储能企业