電池是電動汽車的心臟。盡管目前國家大力推廣電動汽車，但是續(xù)航里程短、充電時間長等短板，依舊阻礙著電動汽車大量進入尋常百姓家。如今，越來越多的科研院所和汽車企業(yè)正在研發(fā)新一代超級電池，以解決動力電池存在的諸多問題。
被寄予厚望的“新材料之王”石墨烯總是話題不斷。前段時間，中科院上海硅酸鹽所研究團隊研發(fā)的石墨烯電池更是引發(fā)外界廣泛關注。該所研究員黃富強帶領的研究團隊與北京大學、美國賓夕法尼亞大學合作，合成出一種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯。該材料具有極佳的電化學儲能特性，除了超快速充放電，它還可以循環(huán)充電5萬次以上，有望為電池行業(yè)帶來革命性變化。該成果發(fā)表在美國《科學》雜志上。
“超級電池”看好石墨烯
“從電動汽車誕生那一天起，科學家們就一直在探索用各種新材料和新技術，來提高電池的續(xù)航里程。”河北大學新能源汽車研究中心王濤博士介紹，電動車有100多年的歷史，比燃油車還早半個世紀。
據了解，電動車的歷史可追溯到1834年，那一年蘇格蘭人羅伯特·安德森制造了第一輛電動汽車，它由一組不可充電的干電池驅動，只能行駛一小段距離。1881年，法國工程師古斯塔夫·特魯夫發(fā)明了以可充電電池——鉛酸電池為動力的電動車。19世紀末到20世紀初，電動車進入到發(fā)展的黃金時代，法國、英國和美國相繼出現(xiàn)電動車制造公司，電動汽車一度占領了40%的汽車市場。然而，20世紀20年代后，內燃機技術不斷更新，再加上燃油汽車行駛里程是電動車的3倍，且使用成本低……這種背景下，電動車很快從歐美汽車市場中消失了。
“鉛酸電池體積大、質量重、充電時間長、續(xù)航里程較短，再加上電力傳動系統(tǒng)的制造成本過高等因素困擾，被市場淘汰也是必然。”王濤表示，20世紀80年代至90年代，日本和美國的一些汽車廠家也生產過一系列電動車，但由于大都采用鉛酸電池，很難取得質的突破，最終都是曇花一現(xiàn)。進入新世紀以來，環(huán)境污染、能源日漸枯竭等問題不斷加劇，電動汽車再次成為各大車企重點關注的對象。而且隨著鋰離子電池的引入，電動汽車進入又一個飛速發(fā)展的黃金時期。“與鉛酸電池相比，鋰離子電池在續(xù)航里程、充電時間、電池壽命等方面，都有了很大的提高，但仍無法達到與燃油汽車相同的性能。”王濤介紹，目前市面上電動汽車，除了售價昂貴的豪華品牌以外，純電動車所標稱的續(xù)航里程都在300公里以內。
目前，越來越多的科研院所和汽車企業(yè)正在研發(fā)下一代超級電池，力圖使電動汽車取得突破性進展。
“電池含有正負極、隔板和電解質。它們由不同的材料組成，而且不同的材料組合可以讓電池貯存不同數(shù)量的能量。”王濤表示，電池的升級換代，往往體現(xiàn)在電池材料的更新上。目前，許多研究機構正在試圖用新材料研發(fā)超級電池，而石墨烯就是其中一種。
據介紹，石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。它是一個網狀結構，且具有極限的薄度，電荷在其中可以快速遷移。也正因如此，許多研究者將石墨烯看作是一種比較理想的蓄電池電極材料。
電池性能不斷突破
“目前，石墨烯已經在超級電容器、鋰空氣電池等儲能材料的研發(fā)中得到應用。”王濤介紹，中科院上海硅酸鹽所研究團隊就是利用了石墨烯材料高比表面積、優(yōu)良導電率和穩(wěn)定化學結構特點，合成了超級電容器的新型電極材料。
超級電容器，是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種電化學儲能裝置。與電池類似，超級電容器主要由電極、電解液、隔膜和集流體組成，其中的電極是決定超級電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極是雙電層的電荷存儲機理，其比表面積大、穩(wěn)定性好、功率密度高但電容量小（<250法拉/克），而且現(xiàn)有儲能器件中所使用的電解液通常有毒有害、易燃易爆、安全穩(wěn)定性差。
為破解這一難題，中科院上海硅酸鹽所研究團隊展開持續(xù)攻關，通過反復試驗，合成了氮摻雜有序介孔石墨烯，該材料是石墨烯廣義家族中的一種新結構，具有優(yōu)異的電化學儲能特性，電容量可達到855法拉/克。而且，該團隊還研究了電極材料中結構與性能之間的關系，發(fā)現(xiàn)氮原子在石墨烯中的結構不僅影響電極材料的氧化還原電位，還決定了電極材料的電容量。這一重要發(fā)現(xiàn)為科研人員設計高電化學活性的電極材料提供了新的思路。
事實上，石墨烯材料已被汽車電池研究專家廣泛采用。日前，劍橋大學化學教授克萊爾格雷和她的團隊利用石墨烯材料攻克了鋰空氣電池開發(fā)中的技術難關，相關成果也發(fā)表在《科學》雜志上。
據介紹，鋰空氣電池通過鋰和氧結合成過氧化鋰實現(xiàn)放電，再通過施加電流逆轉這一過程而完成充電。如何可靠地令上述反應反復發(fā)生是該技術面臨的挑戰(zhàn)?？巳R爾格雷用石墨烯構造高度多孔、海綿狀的碳電極，再加入一些添加劑使之保持化學穩(wěn)定，解決了之前的鋰空氣電池易爆炸的問題。而且如果能把該技術從實驗室的演示品轉變?yōu)樯唐?，那么汽車只充一次電就能從倫敦駛到愛丁堡（約650公里），所用電池的成本和重量卻只有現(xiàn)在鋰離子電池的1/5。
此外，韓國三星電子也在進行旨在硅表面添加石墨烯涂層的硅基陽極物質的研究。他們通過在碳化硅電極的表面涂石墨烯涂層，有效地擴展了陽極的表面積。同時與陰極所使用的鋰鈷氧化物進行組合，使電池的充電電源的單位體積能量密度有較大的提高，其壽命也增加到鋰離子蓄電池的1.5至1.8倍。
“這些研究成果都表明，在電極中添加石墨烯材料，可以明顯改善電池的充電速度、循環(huán)穩(wěn)定性、使用壽命和能量密度。”王濤表示，不管石墨烯能否成為下一代電池的正負極材料，合理正確使用石墨烯這一新材料，能夠促進電池向更高性能發(fā)展是業(yè)內一致認可的。
真正上路尚需時日
石墨烯材料在電池上的應用前景毋庸置疑，然而石墨烯電池真正從實驗室走向產業(yè)化，還有很長的路要走。
“在討論石墨烯如何應用于電池之前，獲得合格石墨烯產品是第一關。”王濤介紹，石墨烯的獨特結構是把雙刃劍，在帶來優(yōu)異特性的同時，也為其產業(yè)化增加了難度。
據了解，二維材料之前從來沒有獲得過，石墨烯只是科學家的一個假想。2004年，英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫根據兩塊石墨相互摩擦就會有一片石墨被整體剝離的特性，發(fā)明了制造二維石墨烯的“透明膠法”：他們通過光束、電子束和原子力顯微鏡等設備來操作，用足夠強力的透明膠粘住石墨層的兩個面并把它撕開，然后不斷重復，直到獲得只有一層原子厚的石墨烯。這是個復雜工程，因為1毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬層石墨烯，兩人也因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。
然而，這種在實驗室獲取的方法難度太大、成本太高，限制了石墨烯材料產業(yè)化的步伐。而且，即使是獲得了產業(yè)化的石墨烯材料，也只是制造石墨烯電池的第一步，真正應用到電動汽車上，還需要等更長的時間。
據介紹，鋰離子電池在產業(yè)化前，用了長達數(shù)年的時間對電池的安全性、穩(wěn)定性、壽命及成組技術進行實驗驗證。而且電池的發(fā)展趨勢是往能量密度更高的方向發(fā)展，但是能量密度越高，潛在的危險系數(shù)也將隨之提高。因此，石墨烯電池相關性能的測試、改進可能會需要更長的時間來進行。
此外，在生產可行性的驗證上也需要兩到三年的時間。因為一款電池從實驗室走向生產，在制造過程中對生產設備、工藝路線、制造環(huán)境等都是有很高的要求的，需要不斷地對制造工藝進行調整。 “雖然沒有明確的時間表，但我們有理由相信，石墨烯材料會給汽車電池領域帶來革命性的變化。”王濤打比方說，這種變化好比從盒式錄像帶發(fā)展到光盤，會極大地改變整個產業(yè)鏈。
