石墨烯能讓電動汽車充電8分鐘續航1000公里？

一則廣汽全新動力電池能讓電動汽車“8分鐘充滿80%電量、續航1000公里”的消息，將自家電池技術推到風口浪尖的同時，也再次將大眾既熟悉又陌生的石墨烯推到台前。

作為被業界稱之為“新材料之王”的石墨烯，從首次提取成功到目前開始步入商業化應用也不到20年，真正引起市場關注也僅10年時間。

石墨烯材料性能上的各種優勢，是讓外界對其不斷關注的根本原因，但基於目前還未取得關鍵突破的製備工藝限制，其生產成本一直居高不下，行業應用也受到侷限。即便是此次事件中的新能源汽車領域，其也並不是顛覆電池材料，只是作為導電劑增加導電性能。

但不可否認的是，新材料的性能優勢還是吸引了不少企業入局，目前處於市場導入期的石墨烯，未來有望得到更快的發展。

新材料之王——石墨烯

過去幾年，我們似乎經常會聽到關於石墨烯的各種新聞，但似乎又對它並不是那麼熟悉。

介紹石墨烯之前，我們需要先了解一下石墨。石墨離我們更近，平時用到的鉛筆，內部的鉛筆芯就是石墨。

而從化學形式上看，石墨是“碳”（元素週期表中6號元素，化學符號C）的一種同素異形體。

同素異形體指的是由單一化學元素組成、因原子排列方式不同而具有不同性質的單質。像我們常説的氧氣（O2）和臭氧（O3）就是氧原子所形成的兩種同素異形體，氧氣是我們呼吸所必須的，但臭氧卻是對人體有害的。

我們再回來説石墨，石墨是碳原子所形成的一種同素異形體，自然界中存在許多碳原子的同素異形體，如金剛石（鑽石的原身）、C60、碳納米管等。

碳原子所形成的不同分子結構造成了同素異形體不同的物理和化學性能，如石墨平面層狀的結構使其非常柔軟，金剛石的立方晶體結構使其堅硬無比。

金剛石、石墨、C60分子結構

而石墨烯又是什麼呢？它實際上就是單層石墨，專業術語為“以碳原子為核心組成的二維碳納米材料”。目前，石墨烯實際上是單層石墨烯、雙層石墨烯以及多層石墨烯（不超過10層）的統稱。

石墨烯結構示意圖

説起來似乎不難理解，但製備起來卻難度頗大。單層石墨烯的厚度僅為0.355nm（納米），1mm（毫米）厚的石墨就包含了300萬層的石墨烯。

這也使得其難以從石墨上提取出來，事實上，直到2004年， 英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫才首次成功提取到單層的石墨烯。而他們採用的方式卻異常簡單——用膠帶不斷地粘附在石墨上，再撕下來，從膠帶上提取石墨烯。

在經過上萬次的實驗後，他們真的從膠帶上提取到了單層石墨烯。此前，科學界一直認為無法獲取到這種二維單層結構。

儘管只有納米級的厚度，但石墨烯的各種物理和化學性能都優於當前的許多材料，包括機械強度、柔性、導電性、導熱性等。

石墨烯性能優勢

石墨烯超高的楊氏模量（描述固體材料抵抗形變能力的物理量）、固有拉伸強度、斷裂強度使其比金剛石還要堅硬，是目前最優質的鋼材強度的200倍；超高的導熱係數也讓其成為導熱性能最好的碳材料。

各種優異的性能使得石墨烯被稱為“黑金”“21世紀的新材料之王”。在2010年兩位發現者獲得諾貝爾獎後，石墨烯的相關研究更是越來越火熱。

不準確的“石墨烯電池”

簡單瞭解了石墨烯之後，我們再看看這次的主角——廣汽“8分鐘充電80%，續航1000公里”的電池。

通常意義上，鋰電池的命名主要通過以“在電池中起核心作用的材料”來確定。比如磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池均是因為正極材料磷酸鐵鋰和三元鋰作為活性材料在動力電池中起到主要作用。

而此次讓石墨烯再次進入到大眾視野的“廣汽石墨烯電池”，事實並不是普遍認為的石墨烯作為正負極核心活性材料，而是作為導電劑提升鋰電池的充電速度。

這也是前面提到的石墨烯優良導電性能的應用。當然，此前廣汽也沒有稱自己為“石墨烯電池”。根據此前廣汽的描述，其是將石墨烯加到鋰電池的正極材料中，使電池擁有6C快充能力，8分鐘就能充電80%。而目前，常規鋰電池的充電倍率只有1.3C。

“C”是充電倍率的單位，代表了充電速度。舉個例子來説，容量為30KW/h的電池，以30KW的功率充電，則此時充電倍率為1C，充滿電需要1小時，6C則只需要10分鐘。

充電倍率反映到充電樁和充電槍上對應的就是設備功率。30KW也是目前充電樁普遍的充電功率，稍高的充電功率在100KW左右，特斯拉最新的超充樁功率為250KW，而根據廣汽的信息，其充電設備功率達到600KW，超過特斯拉充電設備的一倍以上。

特斯拉超級充電樁

特斯拉的超級充電樁一般充電15分鐘能跑200公里，根據其500公里左右的續航，估算15分鐘大概能充40%的電量。這樣看來，廣汽所説的“超級快充”確實很快。當然，在短期內實現應用並規模鋪設可能是另外一回事。

充電快之外，廣汽稱其“超級快充電池”也將實現1000公里的續航，不過後來也表示，充電快是由於加入了石墨烯材料，而高續航是由於採用了硅負極。

向以石墨為主要的負極材料中加入硅，是目前提升動力電池續航能力的一個熱門方向。相比石墨，硅材料擁有更高的比容量（4200mAh／g），是石墨類負極材料的10倍多。將納米硅引入鋰電池的負極材料中，部分替代石墨，理論上可以極大提升鋰電池的能量密度。

此前沒有將硅直接用於負極材料，主要是因為硅在充放電過程中會出現膨脹，使得電池變形而無法正常工作。目前，負極材料中90%以上使用的還是石墨，包括天然石墨和人工石墨。

2019年動力電池負極材料佔比

不過，已有不少企業開始嘗試在石墨負極材料的基礎上摻雜部分的硅材料，廣汽的硅負極大概率也是摻雜而非全部採用硅負極。除了廣汽，1月13日，上汽、阿里成立的智己汽車也宣佈旗下車型未來續航將達到1000公里，電池方面就利用了寧德時代的“摻硅補鋰”技術，即同樣是在負極材料中摻入硅材料。

現有電動車的電池系統能量密度普遍為160wh/kg，而廣汽基於硅負極材料技術的鋰電池，將能實現280wh/kg。參照160wh/kg能量密度所對應的600公里NEDC續航，廣汽鋰電池似乎的確可以實現1000公里NEDC續航。

在廣汽1月15日宣佈自家石墨烯快充電池及搭載車型將在今年量產下線後，1月16日中國電動車百人會論壇上，中國科學院院士歐陽明高表示，如果現在有人告訴你，他的電動汽車可以幾分鐘充滿80%的電，還能跑1000公里，價格還便宜，那麼這個人一定是騙子。

中國科學院院士歐陽明高

這也是行業內此次熱烈討論的關鍵點。隨後，同樣在中國電動車百人會論壇上，廣汽集團董事長曾慶洪表示，廣汽並沒有説過推出同時兼顧充電快、續航里程高還便宜的電池，與常規動力電池相比，其石墨烯快充電池整體電芯成本高出5%~8%。

而且，曾慶洪也表示，8分鐘充80%理論上是可以實現的，1000公里續航的車今年也肯定會推出。

面對不少人的質疑，儘管廣汽表現的還是很硬氣，但包括導電劑在內的石墨烯商業化應用確實阻礙重重。

石墨烯的商業化瓶頸及未來

儘管石墨烯各種良好的性能有代替其他材料的潛力，但複雜的製備工藝和高昂的製備成本使得其目前並不能大規模量產。

目前，石墨烯製備方法主要可以分為“自上而下”和“自下而上”兩類。

“自上而下” 法是以石墨為原料，通過剝離的方法來製備石墨烯層。如:機械剝離法、氧化還原法、液相剝離法等。

以機械剝離法為例，這也是最早剝離石墨烯的方法。通過多次用膠帶粘附石墨，然後將帶有石墨薄片的膠帶粘貼到硅片等目標基體上，最後用丙酮等溶劑去除膠帶，從而在硅片等基體上得到單層和少層的石墨烯。

機械法制備石墨烯

“自下而上”法則是通過碳原子的重新排列來合成石墨烯，如化學氣相沉積法、外延生長法、有機合成法等。

其中化學氣相沉積法是目前較為主流的方法，其是利用甲烷等含碳化合物作為碳源，通過其在基體表面的高温分解生長石墨烯。

化學氣相沉積法制備石墨烯

但各種製備方法都有自己的優缺點。機械法制備石墨烯成本較低，但製備出的石墨烯含量有限，質量較低，難以規模生產。化學法可以製取含量較高的石墨烯，但成本比機械法制備高出很多。

製備技術上的阻礙使得石墨烯的商業化方向目前也較為侷限。儘管其良好的各種性能能夠用於多個領域，但基於成本和技術阻礙，目前石墨烯主要的應用方向包括以石墨烯粉末或漿料為主的導電劑、以石墨烯薄膜為主的導熱膜和導電油墨等領域。

而拿作為導電劑的石墨烯粉末和漿料來説，目前石墨烯導電劑價格在50-80美元/kg，儘管相比此前200美元/kg已經下降不少，但相比傳統炭黑導電劑10美元/kg左右的價格依然沒有優勢。

目前雖然有不少企業從事石墨烯材料的研發和製造，但多數由於沒有更好的應用領域，導致無法獲得有效的商業收益。

在近期石墨烯概念股裏持續上漲的華麗家族，旗下儘管有多家石墨烯子公司，但其2019年的財報顯示，23.46億元的營收中，地產業務營收就達到了23億元，石墨烯營收僅在千萬級別。

同樣在石墨烯概念中股價上漲的寶泰隆，2020年中報顯示，11億元的營收，淨利僅1000萬元，還多來自於主要的煤炭業務。

不過，儘管如此，石墨烯性能上的優勢所帶來的前景還是讓諸多企業產生了興趣。

華為2018年底發佈的Mate 20X就已經用到了石墨烯導熱薄膜做散熱裝置，其也在2020年2月通過旗下哈勃投資，入股了常州富烯科技，後者是一家生產石墨烯導熱薄膜的企業。同時，中國寶安旗下的萬鑫石墨谷科技也在不久前將自家的石墨烯導電劑樣品交給華為做測試。

華為Mate 20X中將石墨烯導熱膜薄用於手機散熱

小米在2020年發佈的小米10 ProPlus也搭載了天奈科技的石墨烯電池，後者主要研發和生產石墨烯導電材料。2020年10月，小米還投資了研發石墨烯導熱膜的墨睿科技。

墨睿科技主要採用化學氣相沉積法制造石墨烯，製備成本較高，但薄而透明，墨睿科技正在考慮將其應用在柔性電子器件開發方面，比如可以捲曲的屏幕上。

總的來看，廣汽的石墨烯電池確有爭議，在多數人並不清楚石墨烯在動力電池中起到的作用，以及量產車型並沒有下線的情況下，廣汽的宣傳多少有些炒概念的嫌疑。

而作為擁有“新材料之王”稱號的石墨烯，目前確實正在進入市場導入期，包括製備技術上的屏障和導電劑、導熱膜等商業應用瓶頸都在不斷得到解決。

新材料的研發也是當下尤為熱門，但也需要更多基礎科學、需要長期研發的領域，其對未來各個行業都有可能產生巨大的革新，企業需要少炒些概念，多做些實事。