電7秒續(xù)航35公里, 中科院石墨烯電池新材料真能帶飛電動車產業(yè)？

時間:2015-12-21 10:05來源:虎嗅網 作者:西顧
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         日前，新華社發(fā)布了一條讓電動車廠商倍感興奮的消息，該消息稱：“中科院上海硅酸鹽所科學家成功研制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。”并表示，”該材料具有極佳的電化學儲能特性，可用作電動車的‘超強電池’：充電只需7秒鐘，即可續(xù)航35公里。”據悉，相關研究成果已于18日發(fā)表在世界頂級學術期刊《science》上。聽上去很厲害的樣子，不過先別急著激動，關于這個新材料及應用，這里還有幾件事，你或許需要知道。
 
超級電容可以帶我們飛了？
 
         所謂的超級電容器，據新華網介紹：“是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種電化學儲能裝置。由于具有功率密度高、循環(huán)壽命長、安全可靠等特點，現已廣泛應用于混合電動汽車、大功率輸出設備等多個領域。”等等，既然這么厲害？為何隨手一搜，大部分的電動汽車主要采用的還是電池呢？比如特斯拉的鋰電池(大部分都是)、豐田Prius的鎳氫電池等。原因在于超級電容的能量密度太低了。能量密度低，就意味著滿足實際需求的電容體積會非常大。而正如報道所說，找到理想的材料，使得超級電容器兼具高功能、高能量，一直是科學家們努力的方向。
 
         據science上文章顯示，此番研究出的新材料，在能量密度上能達到鉛酸電池的41wh/kg同時功能性又不錯，的確是不小的一個進步了。不過就實用性而言，以特斯拉為例，目前的特斯拉Model S采用的是來自松下的18650電池，其能量密度為233wh/kg，而一輛特斯拉Model S上電池，重達900公斤，掐指一算，背著5000多公斤的電池跑起來，感覺似乎還是沒有那么美好。事實上，現在的超級電容在電動汽車中，都是作為電池的從屬，起輔助作用。而秒充這件事，其實快充快放，一直就是超級電容的一大優(yōu)勢所在，然而能量密度的問題若不能得到解決，一切就只不過聽上去很美好。
 
         值得一提的是，在science的文章中，并不能找到“充電只需7秒鐘，即可續(xù)航35公里”的相關數據，不知這一信息從何而來。
 
石墨烯？還是類石墨烯碳材料？
 
         新華網文章中將上海硅酸鹽所研發(fā)的這一新材料稱之為“氮摻雜有序介孔石墨烯”，然而事實上，《science》的文章中，并沒有表示自己使用的是石墨烯，更適當的表述或許是類石墨烯介孔氮材料。
 
         事實上，近年來，類似的報道頗多，什么“新一代超級電容 幾分鐘充滿可跑500公里”，知乎上也有不少“如何評價‘某某研發(fā)出一分鐘充滿電新電池！’這一新聞？ ”每次相關研究已出，總是新聞帶動起業(yè)內相關人士的一陣興奮，但是，從研發(fā)到實際生產使用的距離有多遠？知乎上一名同學就此次新材料所作的回答或值得思考。下文摘自知乎答主：清華大學能源互聯(lián)網創(chuàng)新研究院副研究員,劉冠偉博士(知乎ID 弗雷劉)。
 
實驗室中的性能突破，但說工業(yè)化還為時尚早
         本文在炭基材料超級電容器上，通過摻氮，使得有序介孔炭材料具有了電化學活性，具有贗電容的工作能力，而且在能量密度上達到了鉛酸電池的41Wh/kg，功率更是保持了超級電容中一貫的優(yōu)勢。文章中詳細的表征了該材料的電化學性能，在不同種電解液中的工作能力，反應機理等等，此處我也不一一詳解了，總之，說它在超級電容領域，實現了突破，是不夸張的。
 
         但是說它想要實用化呢？我這里有幾個問題。
 
(1)成本
 
         文章中使用的制備工藝1是典型的模板法：
 
         用SiO2模板，然后CVD用CH4和NH3做碳氮源，長出材料，再用氫氟酸腐蝕掉模板，得到材料，不僅如此，之后還要用濃硝酸處理，提高氮含量。
 
         你知道這套工藝量產材料有多貴么？你知道這套工藝量產材料有多貴么？你知道這套工藝量產材料有多貴么？重要的事情要說三遍。
 
         實際上，SiO2模板來產材料，產率一定不高，模板制備就有一定成本。然后CVD制備材料，如果你的材料是論重量而不是論面積來生產，那成本一定妥妥的是醉了的節(jié)奏；之后還要用劇毒的氫氟酸來腐蝕，危險的東西防護成本有多高大家想想，最后還有個濃硝酸處理，嗯……環(huán)評過起來一定很困難。
 
        在這套技術在實驗室里很普遍，做研究沒有問題，但如果非說它明天就實用化，嗯，做夢呢……
 
        當然了，本文作者也說了他們還采用了相對更為經濟(inexpensive)的工藝，大概就是不用模板了，直接做溶膠凝膠，然后再CVD合成。
 
        問題還是：溶膠凝膠對于工業(yè)也不是什么便宜貨，然后還是用CVD.....反正你成本上就是沒競爭力。
 
        說到這里，很多人可能不服氣，說筆者吃不到葡萄說葡萄酸，成本問題隨著技術發(fā)展是可以解決的。但是我想說的是，關鍵還是要看你的新技術要取代的舊體系是什么：如果是一個原有技術昂貴，那你的技術貴一點是比較好說的；但是如果取代的是現有的大規(guī)模生產的非常便宜的東西(這些各種碳系材料)，即使你的新產品性能真的有飛躍，先老老實實算算經濟賬，然后再行動研發(fā)投資擴產什么的，也是絕對不是坑人的。
 
(2)電極制備工藝
 
        該文使用的工藝是把活性材料與可壓縮的石墨烯泡沫(做集流體)擠壓在一起，沒加添加劑，制成的極片。
 
        可見使用的并不是傳統(tǒng)的金屬集流體。實際上，3D石墨烯泡沫具有很大的比表面積，以及相應帶來的良好的三維導電網絡，用這樣的集流體會給材料的性能帶來很多加成，在這方面中科院金屬所成會明院士組有不少工作可以參考。因此這里的一大問題就是：為什么不用傳統(tǒng)的集流體，而是使用了石墨烯泡沫來測試該材料的電性能？如果用傳統(tǒng)集流體，測出的性能會不會更具有參考比較價值？
 
(3)整體定位
 
         充電7秒續(xù)航35公里, 中科院石墨烯電池新材料真能帶飛電動車產業(yè)？
 
         雖然我們的記者朋友已經為該材料定了一個“充7秒跑35公里”的性，但是我覺得我們應該看看作者對于自己工作的展望。對于超級電容方面的應用，該作者意味深長地用了一個詞，叫potentially可以和電池來競爭。所以作者也沒說它一定要和電池短兵相接嘛，先做好電容領域中的老大其實是比較實際的。而且最后這個可以與鉛酸、鎳氫匹敵的評價后，最后談到鋰離子，作者非常客觀的用了一個詞： 也許。
 
         至少我們可以這么認為，如果它想去取代鋰離子，難度比前幾種要大的多。所以其實作者對于該電容的定位其實非常清晰。
 
(4)科研VS工業(yè)
 
          其它幾位朋友在這里也說了，實驗室里做出來的東西往往要花很久才能工業(yè)化，而有些技術甚至受至于技術路線等因素，永遠不可能工業(yè)化都沒準。我從來不認為科研不重要，但是我覺得國家應該加大力度扶持那些可以中試化，有產業(yè)化前景的技術，這才是工業(yè)升級，做強中國制造的正路，因此我也很期待該項技術可以早些中試化，能夠大批量做出高一致性、可靠性、成本和性能具有一定競爭力的產品。
 
          因此一切的一切將如何發(fā)展，讓我們拭目以待吧。
 
          PS：充電7秒鐘跑35公里，我是感覺這個數字算的很有趣，還是7的位數呢……好的，折合一秒鐘跑5公里，如果是一般的家用電動轎車，一度電跑7~8公里，咱就按10公里算吧，1秒鐘充電得要0.5度，1kWh=3600kWs 也就是功率達到1800kW，嗯，不燒了才怪……
 
          總結一下就是，此次中科院的新材料確實有著重大突破，但是從實驗室到工廠到市場還有很遠的路要走。
 
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