鉅大LARGE | 點擊量：9673次 | 2018年06月06日
石墨烯電池：充電十分鐘跑一千公里？
近日，北京大學教授其魯教授發(fā)表了題為《5V級鋰離子二次電池技術開發(fā)現(xiàn)狀分析》的演講報告，以下是演講報告實錄：
大家早上好！非常高興又有次機會從學術技術方面跟大家共同探討一下現(xiàn)在鋰電池的問題，今天因為時間非常充足，想先說兩句別的事，整整十天了，北京霧霾嚴重糟糕到了這樣的狀況，其實跟我們也是關系非常密切的，據(jù)說還要持續(xù)五天，五天之后中央氣象臺說，有一股寒流會從西伯利亞過來。我想大家都記得很清楚，幾年前老說有沙塵暴，現(xiàn)在希望沙塵暴來，如果沒有西伯利亞沒有來的這股風，好像北京就脫不開霧霾似的，不僅北京，華北地區(qū)、中原地區(qū)，看看今天的武漢，我們國家就處在這樣的狀況之下。
其實跟汽車的關系我覺得并不是關系太密切，全世界汽車比中國多的地方有的是，但是去那些地方，大家到日本、美國、歐洲看一看，有這樣的情況嗎？但是借著這么一個事情，我們的電動汽車要快速發(fā)展，我們的電池也能好好賣了，希望我們大家利用好這個機會。
關于5V級鋰離子二次電池，一直是大家非常期望的一件事情，因為昨天的報告當中大家也看到了，電池的門檻在提高，現(xiàn)在是在每公斤100瓦時左右，其實真正的單體電池來講，我們能夠?qū)崿F(xiàn)這個的也不多。所以真正的要超過200或者300，應該指的是單體電池，因為每家的制冷技術，保溫技術都不一樣。所以做到電動汽車上之后呢，第一，價格絕對不會是像昨天人們討論的每個瓦時一塊錢，或者做到200瓦時每公斤。
大家看一下這張圖，縱坐標是電池的電壓，橫坐標是容量，從這張圖上大家可以看得很清楚，我們現(xiàn)在的鋰電池無論是小型的鋰電池，還是電動汽車上用的動力電池，無論是鈦酸鋰電池，還是磷酸鐵鋰電池，大概情況這上面看得比較清楚。大家可以看到下一代的電池技術，跟鈦酸鋰電池相比，它的電壓幾乎高出一倍，它的能量密度大家可以期待。對于未來，比如說我們要做到每公斤200瓦時，300瓦時，緊緊依靠這樣的材料還是不夠的。大家看看紅色的線，這也是一種特殊的，我們作為下一代電池材料推出的一個新材料，它的容量要遠遠超過金殿的鈷酸鋰，或者三元材料。也是這樣的以錳、鈷、鎳為基礎的。當然這也不是完全能夠全面提高電池能量密度這樣的技術，這里面還包括負極技術，有一種叫做硅的負極技術，可以遠遠超過今天的碳級材料。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
當然，它在技術應用上可能還有一定的時間問題，未來我想從電池的能量密度，從電池的壽命上講，很關鍵的未來的鋰金屬技術進展非常快，最終真正實現(xiàn)以鋰金屬為負極的這樣一個負極材料之后，我們的電池能量密度突破每公斤200瓦時，300瓦時是非常容易的，也就是幾年的時間問題。
最近幾天很多朋友跟我討論這幾年出現(xiàn)比較多的電池，像石墨烯電池等等，我今天想把時間重點從這個角度跟大家分享我們一些公開的這方面的一些資料。石墨烯電池是過去幾年炒得非常熱的一個電池，這個電池到底怎么樣？我們有報道，說十分鐘充電跑一千公里，到底是怎么回事呢？能做到那樣子嗎？電池人們是把它做出來了，但是是什么樣的電池呢？到底跟我們今天的電池有多大的區(qū)別呢？石墨烯是什么呢？大家一起先了解一下。
石墨烯是進入本世紀以來人們發(fā)現(xiàn)的一種新材料，它并不是五誰誰誰合成出來的一種新材料，它在傳統(tǒng)的礦物質(zhì)當中它就是存在。所以因為這件事，因為從石墨當中提取出來的這樣一種非常有價值的，導電性能非常好的石墨烯。所以大家都看到，對這件事情十年前科學家們獲得過諾貝爾獎，在這之后，因為石墨烯有著非常好的物理性質(zhì)，化學性質(zhì)，它已經(jīng)被應用到很多方面，而且它潛在的未來價值是十分巨大的。
有人報道，這個報道我也沒有看到真正原文的報道，中文的報道是翻譯的問題還是什么問題，我們應該繼續(xù)看一下。按照它的說法，這個電池的儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的3倍，用這種電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，充電時間不到8分鐘。我想對這件事進行一下分析，跟我們現(xiàn)在電池到底有多少區(qū)別呢？它講了，這種石墨烯聚合材料，電池的使用壽命較長，是傳統(tǒng)氫化電池的四倍，是鋰電池的兩倍。雖然石墨烯很特殊，它的成本將比鋰電池降低77%，我想就這個疑問我們分析一下。什么叫行駛1000公里？什么叫充電不到8分鐘？什么價格是傳統(tǒng)電池的一半？
關于電動汽車或者電池的充電問題，我想10分鐘或者8分鐘的充電，我們今天的電池完全可以做到這一點。大概用10C這樣的倍率去充電，對今天我們的多元正極金屬復合氧化物來充電是非常容易做到這一點的。大家記得很清楚，2000年的時候，我們最有名的自然科學雜志上，外國人發(fā)表了一篇文章，在15年前就預言，我們喝一杯咖啡，就能讓我們的電池充滿電了。15年過去了結果怎么樣？僅僅從材料評價的結果，得出放大好多倍的一直延遲到電動汽車的結論，今天的結果大家是很清楚的。從材料角度講導電性能好，做到這一點是沒有問題的。但是實際情況呢？2008年北京奧運會的時候我們記得非常清楚，50輛電動公交車要充電，為這件事情北京曾經(jīng)前后半年左右，為電力的問題，最后也不得不決定，不可能實施這樣的一個大功率的充電。
大家都知道我們今天的電網(wǎng)的基礎是在什么上建成的？10C意味著什么呢？比如說要行駛1000公里，按照昨天沃爾沃給出的數(shù)據(jù)，昨天比亞迪也給出數(shù)據(jù)了，通常我們行駛100公里，小轎車至少需要15千瓦，20千瓦時的電池，如果要行駛1000公里，就意味著什么呢？我們要用幾百千瓦時的電池。如果再用10C去充電，它是什么樣的動力呢？我們今天城市的電網(wǎng)是根本做不到這一點。從技術上講沒有任何問題，我們做不到。
另外，今天我們要推廣的比如說家用轎車，如果簡單地，我們不用考慮充電樁的問題，如果我們把車開回家，在我們自己電源上能夠充電是最方便的，最便宜，最簡單的，是最容易實現(xiàn)的。城市的充電樁就是因為這些大功率，想快速充電，這個問題現(xiàn)在實現(xiàn)不了。所以我們今天追求什么呢？比如說我們要用家里的電源充電，我想兩個小時，三個小時足可以解決這種問題。
所以的話，從石墨烯電池的報道，講8分鐘充電，我們的電池也可以做到。但是到底有多大的意義呢？另外行駛距離的問題，他說了，最多可以行駛1000公里。今天我們的電池，我覺得鉛酸電池多可以行駛1000公里。所以對電動汽車來說，不能僅僅用行駛距離去描述，一個車上完全拉電池不拉人的話，跑2000公里都沒有問題。概念是什么呢？我覺得應該是講單體積或者單位重量的電池，能驅(qū)動一定重量轎車，這樣的距離去描述電動汽車的先進性。比如說電池的能量密度。所以的話呢，我想這個事大家就應該很清楚了。
另外，我們的電動汽車到底應該配置多少電池？到底應該設置到多少公里合適呢？比如說在巴黎有人做過統(tǒng)計，平均大家上下班開車只走25公里左右，像東京也就60、70公里，北京呢？能有多少公里呢？有必要給它配置1000公里的電池嗎？在目前電池是很貴的，所以要想做到一個大家能接受的，電動汽車適當?shù)嘏渲秒姵兀m當?shù)乜紤]它的充電速度，這個我們可能實現(xiàn)得更快一些。當然，其他的技術我們也在考慮。
關于鋰電池的壽命，昨天比亞迪老總的報告看得很清楚，我們跑30萬公里，50萬公里，按照充一次電跑200公里算，這個壽命很長很長，不管他們的技術如何，我們鋰電池的壽命在目前的基礎上比較兩倍是非常容易實現(xiàn)的。但是我們還有很多其他技術沒有跟上來，今年年初我做了一個報告，國家電網(wǎng)提出來，為什么他們買的電池回來單體電池做測試壽命都不錯，但是把它組合起來作為模塊使用，迅速地衰減，電池之間相互差別迅速地擴大，為什么會出現(xiàn)這樣的問題呢？我們使用過程當中的問題太多了。
關于電池的重量，剛才我說了，只要我們的高電壓材料，我們更合適的電解質(zhì)材料，給我們的材料實現(xiàn)之后，重量能量密度提高兩倍是很簡單的事情，我們要實現(xiàn)，明天我們就可以實現(xiàn)了。所以那樣的石墨烯電池，它跟今天的鋰電池概念在結構上是有很大區(qū)別的，所以希望大家多關注一下。
關于電池的價格，他說要便宜77%，算得非常準確，我想大家用不上多長時間就會看得很清楚，我們今天中國單體鋰電池的價格昨天大家已經(jīng)討論過了，1瓦時1塊錢，很便宜了，接近鉛酸電池，鉛酸電池有多貴呢？但是國外就不是這樣的，比如說他是按照國外鋰電池的價格算的，在西班牙也好，在歐洲也好，或者在北美也好，至今都看不到一個像樣的，沒有人在那兒做這些事，所以大家很難想象他們鋰電池的價格。到日本的市場上大家可以看清楚，一塊攜帶電話的電池，人民幣至少都是在一兩百塊錢，沒有像我們今天這么便宜。所以它這個價格是跟什么地區(qū)的價格做對比呢？我希望大家多了解一下。
這個事就說到這里，關于跟剛才石墨烯電池做對比，我想我們多元金屬氧化物正極鋰電池的電化學特性也給大家介紹一下，這有幾張圖，這是我們比較早年的依據(jù)了，十年前我們就為北京的數(shù)百輛混合動力的電動公交車提供過這樣的電池模塊，大家可以看左下角的8C充電，10C放電，進行了一千多次的充放電，這是十年前的結果。如果1C充放電是什么樣子呢？這是一個5萬次的結果，其實作為高功率電池的話性能是非常好的，所以它的使用壽命問題，我們不應該再過多擔心。
簡單地說一下石墨烯，因為石墨烯我想用途會非常廣的，作為一個新材料，被大家發(fā)現(xiàn)十年了，今后在各個領域都有非常好的用途。從化學上講，它是一個最簡單的碳這樣的一個分子，在座的都學過化學，它跟苯是一樣的結果，6個碳組成的一個環(huán)狀物，據(jù)說在過去在石墨里面沒有人注意到，所以它的特性在長時間沒有被人們意識到。好在有心人終于在十多年前把它分離出來了，并且因為這件事情，因為對它的性能研究，獲得過諾貝爾獎。
石墨，金剛石，還有石墨烯，它的區(qū)別就在這個上面，金剛石為什么硬呢？金剛石也是由碳組成的，金剛石里面完全是由碳組成，碳和碳之間全部都是原子之間的作用力。石墨不一樣，石墨可以說是這樣的石墨烯一層一層地疊加，它之間靠的是另外一種作用力，它不是像金剛石那樣，每層之間金剛石都是碳和碳直接的原子之間的作用力。石墨不是這樣，石墨烯就是單層的，在這個二維空間上延展的這樣一個化學物質(zhì)。從這個上面大家可以看得很清楚，什么叫富勒烯，也因為這個獲得過諾貝爾獎，或者什么叫納米碳管，它形成一個三維物體的時候就成為今天的石墨。因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)。
單層石墨烯，雙層石墨烯，多層石墨烯，這樣的石墨烯材料它的化學結構也好，它的物理性能也好，很多東西還有待于人們?nèi)パ芯克?。但是迅速地把它搞清楚，把它的應用做到前面去，我想我們在座的很多人都已?jīng)開始這樣的工作了。據(jù)說有的朋友已經(jīng)在這方面做出非常重要的進展，但是從剛才國外報道電池這個角度來看，下面也有別的朋友會討論，石墨烯毫無疑問是會非常有價值的未來。
先進的電池我們要關注，落后的電池，過去的電池我希望大家也不要忘記它，昨天我簡單地說了一下鉛酸電池的問題，現(xiàn)在太可怕了，到了一種什么程度呢？我們一些礦山，采礦地區(qū)，導致的健康問題，我們國家已經(jīng)有大量報道。但是最近在我們的食品當中，在牛奶，在乳制品，在很多方面都出現(xiàn)了嚴重超標的問題。它會導致什么呢？因為時間的關系，我在這兒就不想多說了?？傊?，尤其是兒童，我們的后代，會嚴重地受到鉛污染的影響。所以減少鉛酸電池的使用，抓緊鉛酸電池的回收，今天我們大量的鉛酸電池使用完了之后被直接就地掩埋了，這是最嚴重，最可怕的問題。
因為時間關系，最后我想講我們電池應用問題，一個是未來儲能方面，鋰電池會迅速進入這個領域。另一方面，剛才我說到了鉛酸電池，鉛酸電池，既然我們鋰電池到了1瓦時1塊錢了，汽車上的我覺得我們應該考慮用鋰電池來取代它了。今后在太陽能，在風能其他自然能源的利用方面，鋰電池是會非常有應用價值的，今天的價格已經(jīng)到了這樣的程度。有些朋友已經(jīng)開始做這方面的工作了。
舉一個簡單的例子，比如說最近幾個千瓦，幾十個千瓦這樣小型團體的邊防哨所，海島，使用這樣的例子已經(jīng)大規(guī)模地出現(xiàn)了。很多人比如說在蒙古草原，大概有十萬戶牧民還沒有電的，西藏有七十萬牧民完全沒有電的，云南山上的村民也有很多沒有電，這樣的小型裝置是完全可以解決這樣的問題的。所以把我們的鋰電池應用迅速地拓展，新的市場是會非常大，也會有利于我們在這些領域當中搶占一些制高點。
鋰電池我覺得當前最迫切的幾個課題我想說一下，安全性跟可靠性是一定要改善的，這幾年燃燒爆炸的問題太多了。其實我們電動汽車并不是說像人們想象得那么簡單，幾百公斤的電池搭載到汽車里面，昨天有人公開報道，特斯拉搭載了七百多公斤的電池，能跑多少公里呢？它的安全性、可靠性到底怎么樣呢？我們國內(nèi)的很多汽車廠家的電池壽命，它的容量快速衰減，大家都是有目共睹的。所以可靠性、安全性必須要抓緊時間改善這個問題。
高能量密度化必須做得更輕，因為時間關系，我們一直在從這幾個方面考慮去解決這些問題，這些問題也希望跟更多的朋友一起探討，今天就到這里，謝謝大家！
