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如果把石墨烯和电池联系起来,会有怎样的惊喜? [复制链接]

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发表于 2017-8-30 10:36:27 |显示全部楼层

石墨烯电池,利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新能源电池。石墨烯电池在饱和氯化铜溶液中,时间(小时、天数)和产生电压的关系。石墨烯可以改善电池的属性,如能量密度和形式以各种方式。


现在业界普遍形成一种共识,石墨烯电池应用中,必将实现大容量电池设备快充目标。一旦成功使用,智能手机、新能源轿车目前在电量方面的限制将得到逆转,甚至在电池运用领域引发新的工业革命。


中国目前已经走在了石墨烯产业化的前列,涌现出了一大批石墨烯企业,产业方向集中在石墨烯的制备以及储能、触摸屏和涂层等几个应用领域。但是,石墨烯电池市场还在初级导入阶段,很多技术和生产工艺的问题还没有解决,大量的商业化规模生产还没有形成,只在部分研究实验室和生产企业进行试产。目前从事石墨烯产业的企业有上千家,主流的只有几十家。2015年,石墨烯产业链国内市场规模高达233.2亿元,石墨烯的应用市场规模大约在90-100亿元,其中石墨烯电池市场规模大约31亿元。国内主要研究的是石墨烯运用到锂电池上,而非全新体系的"超级电池",所以国内技术和超级电池有一定差距。国家相关部门对此很重视,2016年出台的"十三五"新材料规划可能将石墨烯纳入其中。   


石墨烯在锂电池中的应用

我们首先来看下锂电池的市场格局。日本是最早实现锂电池商用化的国家,在2000年以前,全球锂电的生产基本被日本垄断。但随着中国、韩国锂电池制造技术的开发和提升,日本锂电池出货量的比例在逐渐降低,而中国和韩国锂电池出货量的比例在逐渐增加。下图是2014年全球锂电池市场份额情况,从图中我们可以看出现在全球锂离子电池市场呈现中、日、韩三足鼎立的局面。

如果把石墨烯和电池联系起来,会有怎样的惊喜? - OFweek论坛 - 2014年全球锂电池市场份额情况.png

假设,石墨烯电池应用到手机电池上,会有什么改变呢?

2016年12月1日,华为瓦特实验室宣布,华为的石墨烯基锂离子电池取得重大突破,并将在12月底发布搭载石墨烯电池的手机。这预示着石墨烯手机电池即将从理论概念变成实际应用,进入消费领域。

如果把石墨烯和电池联系起来,会有怎样的惊喜? - OFweek论坛 - 石墨烯电池手机电池.jpg

石墨烯手机电池的优势与意义

石墨烯具有优异的传导性能及独特的二维单原子层结构,它可以扩大电池内部的结构间隔,使锂离子获得高速率通道的性能,从而拥有比普通锂离子电池更好的性能。西班牙科尔瓦多大学的研究数据显示,石墨烯电池的重量只有锂离子电池的一半,能量密度可达600wh/kg,而常用锂电池的能量密度只有140Wh/Kg。也就是说,石墨烯电池的储电和续航能力是锂电池的4倍以上。另外,根据美国伦斯勒理工学院的研究,石墨烯电池的充放电速度是锂离子电池的10倍。

如果把石墨烯和电池联系起来,会有怎样的惊喜? - OFweek论坛 - 石墨烯结构图.jpg

凭借优异的性能,石墨烯电池的商业化应用将打破现有手机行业的诸多瓶颈。


首先,石墨烯电池可以打破手机使用时间的瓶颈。目前,锂离子电池越来越难以满足消费者的日常需求,很多消费者经常抱怨手机需要一天两充甚至一天三充。


而石墨烯电池凭借强大的储电能力,可以极大的提高手机电池的使用时长。中国科学院合肥物质科学院研制的“烯王”石墨烯手机电池,充满电后可以使用长达半个月的时间。


其次,石墨烯电池可以打破手机设计空间的瓶颈。由于锂电池技术没有突破性革新,延长手机续航只能依靠加大电池容量,这也意味着手机厂商不得不采用体积更大的电池,增大了手机空间,影响了美观性。


石墨烯电池拥有极高的能量密度,可以用更小的空间提供更多的电量,从而节省了手机的设计空间,使得手机变得越来越纤薄,并为柔性屏手机如何解决电量问题提供支撑。西班牙科尔瓦多大学的研究人员称,同样的电池容量,石墨烯电池的体积只有锂离子电池的50%。

如果把石墨烯和电池联系起来,会有怎样的惊喜? - OFweek论坛 - 石墨烯手机图.jpg

另外,石墨烯电池可以打破手机分辨率的瓶颈。目前,大部分手机的屏幕分辨率是1080P,采用2K或更高分辨率的屏幕,意味着耗电量的增高和散热量的加大。2014年至2015年,小米、魅族、联想等手机厂商发布了几款2k分辨率的手机,例如小米NOTE顶配版、魅族MX4 PRO、联想K920等,但是由于锂离子电池的局限性,这些手机的实际体验较差。手机厂商在之后推出的手机上,不得不用回1080P分辨率屏幕。


凭借极高的储电能力和出色的散热性,石墨烯电池可以在提升手机分辨率的同时,提供良好的用户体验,有利于提升手机的视觉效果。另外,石墨烯电池还满足了VR对于高分辨率的需求,为手机与VR的结合提供支撑。

如果把石墨烯和电池联系起来,会有怎样的惊喜? - OFweek论坛 - 石墨烯手机与VR.jpg

石墨烯电池的局限性

石墨烯表面特性受化学状态和外界因素影响很大,这在客观上加大了石墨烯电池的制备难度,导致成品率极低,具备生产石墨烯手机电池条件的厂商极少。而且,石墨烯电池的安全性等性能有待市场的考验。所以,短时间内,石墨烯电池难以在手机行业普及开来。


综合来看,石墨烯手机电池的商业化应用将引发一系列变革,为未来手机行业的创新和发展提供辅助支撑。但是,这种变革在短时间内具有很大的局限性。虽然“石墨烯时代即将到来”,但“石墨烯的制备技术以及价格高昂”,是制约其市场化的“瓶颈”。以前石墨烯价格比黄金还贵,所以被称为‘黑金’,现在依旧要几十块上百块一克。一块手机电池,需要加入三四克石墨烯,成本增加多少可想而知。


石墨烯发展的最大问题,就是应用瓶颈问题。企业之所以在实际运用中很少采用石墨烯,是因为企业核心研发人员还不了解石墨烯。石墨烯的市场应用瓶颈,也在于石墨烯本身的变数,同样的制备方法,在不同的环境里得到的结果是不一样的,因此要应用到产品中,这是个很大的难点。



概念上讲,石墨烯是只有一个碳原子厚度的二维材料,意味着真正的石墨烯是单层的,仅有一个原子的厚度,是目前已知的最薄的一种材料。正是在单层的条件下,石墨烯才具备多重让人惊喜的属性。比如在纳米级别上,其强度是钢铁的20倍,但同时具有20%拉伸不断裂的柔性;它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s。这些优异的性质,被认为是石墨烯可以颠覆很多产业的原因。


石墨烯电池领域整体上产业化程度不高,但未来空间大。从石墨烯电池行业本身来看,受到制备技术不够成熟、下游需求缺乏刚性支撑等因素影响,总体来说目前石墨烯电池行业仍处于研究与小批量量产阶段,生产商也在不断努力对接下游市场需求,除个别产品如石墨烯导电剂外,整体来看目前渗透率和产业化程度并不算高。


石墨烯导电浆料销量呈爆发式增长,产业化进展超预期。众多潜在应用之中,石墨烯粉体作为导电剂添加至锂电池电极,可有效改善电极材料的导电性能和倍率性能,目前已实现超预期的产业化进展。


石墨烯在铅酸电池领域的应用也在悄然推进。铅酸电池市场早已深陷竞争“红海”,产品同质化严重,各厂商间大打价格战。添加石墨烯的黑金电池向市场提供差异化产品,将现有的铅酸电池市场区分为高能电池市场和普通电池市场,提升电池能量密度的同时成本保持稳定,有利于注重研发的大企业把握更多的市场份额、增厚盈利水平。


石墨烯在电池领域市场空间大,不仅在锂电池领域直击动力电池大规模推广的痛点,对铅酸电池领域的产业升级意义不凡。目前石墨烯导电剂市场化一枝独秀,非常看好其他方向的多点开花。石墨烯电池市场化前奏已经响起,即将进入全面爆发期。


如何真正利用石墨烯的这些特性,如何解决应用瓶颈,只有真正做到了技术与理论差距可以忽视的时候,就是石墨烯真正的全面普及的时候。

文章来源(石墨烯中国官网)


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