鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：9652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(xué)教授其魯教授發(fā)表了題為《5V級(jí)鋰離子二次電池技術(shù)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀分析》的演講報(bào)告，以下是演講報(bào)告實(shí)錄：
大家早上好！非常高興又有次機(jī)會(huì)從學(xué)術(shù)技術(shù)方面跟大家共同探討一下現(xiàn)在鋰電池的問(wèn)題，今天因?yàn)闀r(shí)間非常充足，想先說(shuō)兩句別的事，整整十天了，北京霧霾嚴(yán)重糟糕到了這樣的狀況，其實(shí)跟我們也是關(guān)系非常密切的，據(jù)說(shuō)還要持續(xù)五天，五天之后中央氣象臺(tái)說(shuō)，有一股寒流會(huì)從西伯利亞過(guò)來(lái)。我想大家都記得很清楚，幾年前老說(shuō)有沙塵暴，現(xiàn)在希望沙塵暴來(lái)，如果沒(méi)有西伯利亞沒(méi)有來(lái)的這股風(fēng)，好像北京就脫不開(kāi)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(guó)家就處在這樣的狀況之下。
其實(shí)跟汽車(chē)的關(guān)系我覺(jué)得并不是關(guān)系太密切，全世界汽車(chē)比中國(guó)多的地方有的是，但是去那些地方，大家到日本、美國(guó)、歐洲看一看，有這樣的情況嗎？但是借著這么一個(gè)事情，我們的電動(dòng)汽車(chē)要快速發(fā)展，我們的電池也能好好賣(mài)了，希望我們大家利用好這個(gè)機(jī)會(huì)。
關(guān)于5V級(jí)鋰離子二次電池，一直是大家非常期望的一件事情，因?yàn)樽蛱斓膱?bào)告當(dāng)中大家也看到了，電池的門(mén)檻在提高，現(xiàn)在是在每公斤100瓦時(shí)左右，其實(shí)真正的單體電池來(lái)講，我們能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)的也不多。所以真正的要超過(guò)200或者300，應(yīng)該指的是單體電池，因?yàn)槊考业闹评浼夹g(shù)，保溫技術(shù)都不一樣。所以做到電動(dòng)汽車(chē)上之后呢，第一，價(jià)格絕對(duì)不會(huì)是像昨天人們討論的每個(gè)瓦時(shí)一塊錢(qián)，或者做到200瓦時(shí)每公斤。
大家看一下這張圖，縱坐標(biāo)是電池的電壓，橫坐標(biāo)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?zé)o論是小型的鋰電池，還是電動(dòng)汽車(chē)上用的動(dòng)力電池，無(wú)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(shù)，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(duì)于未來(lái)，比如說(shuō)我們要做到每公斤200瓦時(shí)，300瓦時(shí)，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(gè)新材料，它的容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)金殿的鈷酸鋰，或者三元材料。也是這樣的以錳、鈷、鎳為基礎(chǔ)的。當(dāng)然這也不是完全能夠全面提高電池能量密度這樣的技術(shù)，這里面還包括負(fù)極技術(shù)，有一種叫做硅的負(fù)極技術(shù)，可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)今天的碳級(jí)材料。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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(dāng)然，它在技術(shù)應(yīng)用上可能還有一定的時(shí)間問(wèn)題，未來(lái)我想從電池的能量密度，從電池的壽命上講，很關(guān)鍵的未來(lái)的鋰金屬技術(shù)進(jìn)展非?？?，最終真正實(shí)現(xiàn)以鋰金屬為負(fù)極的這樣一個(gè)負(fù)極材料之后，我們的電池能量密度突破每公斤200瓦時(shí)，300瓦時(shí)是非常容易的，也就是幾年的時(shí)間問(wèn)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(shí)間重點(diǎn)從這個(gè)角度跟大家分享我們一些公開(kāi)的這方面的一些資料。石墨烯電池是過(guò)去幾年炒得非常熱的一個(gè)電池，這個(gè)電池到底怎么樣？我們有報(bào)道，說(shuō)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(lái)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(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)人們發(fā)現(xiàn)的一種新材料，它并不是五誰(shuí)誰(shuí)誰(shuí)合成出來(lái)的一種新材料，它在傳統(tǒng)的礦物質(zhì)當(dāng)中它就是存在。所以因?yàn)檫@件事，因?yàn)閺氖?dāng)中提取出來(lái)的這樣一種非常有價(jià)值的，導(dǎo)電性能非常好的石墨烯。所以大家都看到，對(duì)這件事情十年前科學(xué)家們獲得過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)，在這之后，因?yàn)槭┯兄浅：玫奈锢硇再|(zhì)，化學(xué)性質(zhì)，它已經(jīng)被應(yīng)用到很多方面，而且它潛在的未來(lái)價(jià)值是十分巨大的。
有人報(bào)道，這個(gè)報(bào)道我也沒(méi)有看到真正原文的報(bào)道，中文的報(bào)道是翻譯的問(wèn)題還是什么問(wèn)題，我們應(yīng)該繼續(xù)看一下。按照它的說(shuō)法，這個(gè)電池的儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的3倍，用這種電池提供電力的電動(dòng)車(chē)最多能行駛1000公里，充電時(shí)間不到8分鐘。我想對(duì)這件事進(jìn)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(zhǎng)，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(gè)疑問(wèn)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(jià)格是傳統(tǒng)電池的一半？
關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)或者電池的充電問(wèn)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(diǎn)。大概用10C這樣的倍率去充電，對(duì)今天我們的多元正極金屬?gòu)?fù)合氧化物來(lái)充電是非常容易做到這一點(diǎn)的。大家記得很清楚，2000年的時(shí)候，我們最有名的自然科學(xué)雜志上，外國(guó)人發(fā)表了一篇文章，在15年前就預(yù)言，我們喝一杯咖啡，就能讓我們的電池充滿(mǎn)電了。15年過(guò)去了結(jié)果怎么樣？?jī)H僅從材料評(píng)價(jià)的結(jié)果，得出放大好多倍的一直延遲到電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)論，今天的結(jié)果大家是很清楚的。從材料角度講導(dǎo)電性能好，做到這一點(diǎn)是沒(méi)有問(wèn)題的。但是實(shí)際情況呢？2008年北京奧運(yùn)會(huì)的時(shí)候我們記得非常清楚，50輛電動(dòng)公交車(chē)要充電，為這件事情北京曾經(jīng)前后半年左右，為電力的問(wèn)題，最后也不得不決定，不可能實(shí)施這樣的一個(gè)大功率的充電。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
大家都知道我們今天的電網(wǎng)的基礎(chǔ)是在什么上建成的？10C意味著什么呢？比如說(shuō)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(chē)至少需要15千瓦，20千瓦時(shí)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(shí)的電池。如果再用10C去充電，它是什么樣的動(dòng)力呢？我們今天城市的電網(wǎng)是根本做不到這一點(diǎn)。從技術(shù)上講沒(méi)有任何問(wèn)題，我們做不到。
另外，今天我們要推廣的比如說(shuō)家用轎車(chē)，如果簡(jiǎn)單地，我們不用考慮充電樁的問(wèn)題，如果我們把車(chē)開(kāi)回家，在我們自己電源上能夠充電是最方便的，最便宜，最簡(jiǎn)單的，是最容易實(shí)現(xiàn)的。城市的充電樁就是因?yàn)檫@些大功率，想快速充電，這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)不了。所以我們今天追求什么呢？比如說(shuō)我們要用家里的電源充電，我想兩個(gè)小時(shí)，三個(gè)小時(shí)足可以解決這種問(wèn)題。
所以的話，從石墨烯電池的報(bào)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(wèn)題，他說(shuō)了，最多可以行駛1000公里。今天我們的電池，我覺(jué)得鉛酸電池多可以行駛1000公里。所以對(duì)電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，不能僅僅用行駛距離去描述，一個(gè)車(chē)上完全拉電池不拉人的話，跑2000公里都沒(méi)有問(wèn)題。概念是什么呢？我覺(jué)得應(yīng)該是講單體積或者單位重量的電池，能驅(qū)動(dòng)一定重量轎車(chē)，這樣的距離去描述電動(dòng)汽車(chē)的先進(jìn)性。比如說(shuō)電池的能量密度。所以的話呢，我想這個(gè)事大家就應(yīng)該很清楚了。
另外，我們的電動(dòng)汽車(chē)到底應(yīng)該配置多少電池？到底應(yīng)該設(shè)置到多少公里合適呢？比如說(shuō)在巴黎有人做過(guò)統(tǒng)計(jì)，平均大家上下班開(kāi)車(chē)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(gè)大家能接受的，電動(dòng)汽車(chē)適當(dāng)?shù)嘏渲秒姵?，適當(dāng)?shù)乜紤]它的充電速度，這個(gè)我們可能實(shí)現(xiàn)得更快一些。當(dāng)然，其他的技術(shù)我們也在考慮。
關(guān)于鋰電池的壽命，昨天比亞迪老總的報(bào)告看得很清楚，我們跑30萬(wàn)公里，50萬(wàn)公里，按照充一次電跑200公里算，這個(gè)壽命很長(zhǎng)很長(zhǎng)，不管他們的技術(shù)如何，我們鋰電池的壽命在目前的基礎(chǔ)上比較兩倍是非常容易實(shí)現(xiàn)的。但是我們還有很多其他技術(shù)沒(méi)有跟上來(lái)，今年年初我做了一個(gè)報(bào)告，國(guó)家電網(wǎng)提出來(lái)，為什么他們買(mǎi)的電池回來(lái)單體電池做測(cè)試壽命都不錯(cuò)，但是把它組合起來(lái)作為模塊使用，迅速地衰減，電池之間相互差別迅速地?cái)U(kuò)大，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題呢？我們使用過(guò)程當(dāng)中的問(wèn)題太多了。
關(guān)于電池的重量，剛才我說(shuō)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(shí)現(xiàn)之后，重量能量密度提高兩倍是很簡(jiǎn)單的事情，我們要實(shí)現(xiàn)，明天我們就可以實(shí)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(jié)構(gòu)上是有很大區(qū)別的，所以希望大家多關(guān)注一下。
關(guān)于電池的價(jià)格，他說(shuō)要便宜77%，算得非常準(zhǔn)確，我想大家用不上多長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)看得很清楚，我們今天中國(guó)單體鋰電池的價(jià)格昨天大家已經(jīng)討論過(guò)了，1瓦時(shí)1塊錢(qián)，很便宜了，接近鉛酸電池，鉛酸電池有多貴呢？但是國(guó)外就不是這樣的，比如說(shuō)他是按照國(guó)外鋰電池的價(jià)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(gè)像樣的，沒(méi)有人在那兒做這些事，所以大家很難想象他們鋰電池的價(jià)格。到日本的市場(chǎng)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(qián)，沒(méi)有像我們今天這么便宜。所以它這個(gè)價(jià)格是跟什么地區(qū)的價(jià)格做對(duì)比呢？我希望大家多了解一下。
這個(gè)事就說(shuō)到這里，關(guān)于跟剛才石墨烯電池做對(duì)比，我想我們多元金屬氧化物正極鋰電池的電化學(xué)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(dòng)力的電動(dòng)公交車(chē)提供過(guò)這樣的電池模塊，大家可以看左下角的8C充電，10C放電，進(jìn)行了一千多次的充放電，這是十年前的結(jié)果。如果1C充放電是什么樣子呢？這是一個(gè)5萬(wàn)次的結(jié)果，其實(shí)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(wèn)題，我們不應(yīng)該再過(guò)多擔(dān)心。
簡(jiǎn)單地說(shuō)一下石墨烯，因?yàn)槭┪蚁胗猛緯?huì)非常廣的，作為一個(gè)新材料，被大家發(fā)現(xiàn)十年了，今后在各個(gè)領(lǐng)域都有非常好的用途。從化學(xué)上講，它是一個(gè)最簡(jiǎn)單的碳這樣的一個(gè)分子，在座的都學(xué)過(guò)化學(xué)，它跟苯是一樣的結(jié)果，6個(gè)碳組成的一個(gè)環(huán)狀物，據(jù)說(shuō)在過(guò)去在石墨里面沒(méi)有人注意到，所以它的特性在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有被人們意識(shí)到。好在有心人終于在十多年前把它分離出來(lái)了，并且因?yàn)檫@件事情，因?yàn)閷?duì)它的性能研究，獲得過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)。
石墨，金剛石，還有石墨烯，它的區(qū)別就在這個(gè)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(shuō)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(gè)二維空間上延展的這樣一個(gè)化學(xué)物質(zhì)。從這個(gè)上面大家可以看得很清楚，什么叫富勒烯，也因?yàn)檫@個(gè)獲得過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)，或者什么叫納米碳管，它形成一個(gè)三維物體的時(shí)候就成為今天的石墨。因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)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(xué)結(jié)構(gòu)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?yīng)用做到前面去，我想我們?cè)谧暮芏嗳硕家呀?jīng)開(kāi)始這樣的工作了。據(jù)說(shuō)有的朋友已經(jīng)在這方面做出非常重要的進(jìn)展，但是從剛才國(guó)外報(bào)道電池這個(gè)角度來(lái)看，下面也有別的朋友會(huì)討論，石墨烯毫無(wú)疑問(wèn)是會(huì)非常有價(jià)值的未來(lái)。
先進(jìn)的電池我們要關(guān)注，落后的電池，過(guò)去的電池我希望大家也不要忘記它，昨天我簡(jiǎn)單地說(shuō)了一下鉛酸電池的問(wèn)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(dǎo)致的健康問(wèn)題，我們國(guó)家已經(jīng)有大量報(bào)道。但是最近在我們的食品當(dāng)中，在牛奶，在乳制品，在很多方面都出現(xiàn)了嚴(yán)重超標(biāo)的問(wèn)題。它會(huì)導(dǎo)致什么呢？因?yàn)闀r(shí)間的關(guān)系，我在這兒就不想多說(shuō)了。總之，尤其是兒童，我們的后代，會(huì)嚴(yán)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(yán)重，最可怕的問(wèn)題。
因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，最后我想講我們電池應(yīng)用問(wèn)題，一個(gè)是未來(lái)儲(chǔ)能方面，鋰電池會(huì)迅速進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。另一方面，剛才我說(shuō)到了鉛酸電池，鉛酸電池，既然我們鋰電池到了1瓦時(shí)1塊錢(qián)了，汽車(chē)上的我覺(jué)得我們應(yīng)該考慮用鋰電池來(lái)取代它了。今后在太陽(yáng)能，在風(fēng)能其他自然能源的利用方面，鋰電池是會(huì)非常有應(yīng)用價(jià)值的，今天的價(jià)格已經(jīng)到了這樣的程度。有些朋友已經(jīng)開(kāi)始做這方面的工作了。
舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如說(shuō)最近幾個(gè)千瓦，幾十個(gè)千瓦這樣小型團(tuán)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(shuō)在蒙古草原，大概有十萬(wàn)戶(hù)牧民還沒(méi)有電的，西藏有七十萬(wàn)牧民完全沒(méi)有電的，云南山上的村民也有很多沒(méi)有電，這樣的小型裝置是完全可以解決這樣的問(wèn)題的。所以把我們的鋰電池應(yīng)用迅速地拓展，新的市場(chǎng)是會(huì)非常大，也會(huì)有利于我們?cè)谶@些領(lǐng)域當(dāng)中搶占一些制高點(diǎn)。
鋰電池我覺(jué)得當(dāng)前最迫切的幾個(gè)課題我想說(shuō)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(wèn)題太多了。其實(shí)我們電動(dòng)汽車(chē)并不是說(shuō)像人們想象得那么簡(jiǎn)單，幾百公斤的電池搭載到汽車(chē)?yán)锩?，昨天有人公開(kāi)報(bào)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(guó)內(nèi)的很多汽車(chē)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(shí)間改善這個(gè)問(wèn)題。
高能量密度化必須做得更輕，因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，我們一直在從這幾個(gè)方面考慮去解決這些問(wèn)題，這些問(wèn)題也希望跟更多的朋友一起探討，今天就到這里，謝謝大家！
