专业定制医疗锂电池
低温锂电池
19年专注锂电池定制
机器人电池定制

中国石墨烯电池的发展前景解析

九游会俱乐部LARGE  |  点击量:5894次  |  2018年09月10日  

摘要
作为一种最年轻的新型材料,石墨烯尚未开展商业化应用,但是资本已经高度关注并且使出浑身解数向它靠拢。近一年的时间,上市公司布局石墨烯的步伐明显加快。目前A股公司中还没有一家公司以石墨烯为主营业务的公司,但是通过收购、投资、合作等方式涉足的已经有10余家公司。

石墨烯盛宴开启:取代锂电池有何前景?

“2014中国国际石墨烯创新大会”近日在宁波开幕。除了来自美国、欧洲、韩国的国际知名院所带来的最新研究成果外,国内研究机构也将同台竞技。

作为一种最年轻的新型材料,石墨烯尚未开展商业化应用,但是资本已经高度关注并且使出浑身解数向它靠拢。近一年的时间,上市公司布局石墨烯的步伐明显加快。目前A股公司中还没有一家公司以石墨烯为主营业务的公司,但是通过收购、投资、合作等方式涉足的已经有10余家公司。

企业参与石墨烯有真有假,有深有浅,但是一般都会选择与科研院所合作,只有贝特瑞等少数公司选择单独开发。

中科院金属研究所在石墨烯研究领域处行业领先位置。2011年起,金路集团与中科院金属研究所约定双方在石墨烯研发及产业化方面展开合作,此后金路集团一直受到资本市场追捧。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所首席科学家刘兆平,同时也是宁波墨西科技的总经理。而宁波墨西科技的大股东正是上海南江集团。南江集团曾参股多家上市公司,华丽家族、乐通股份、上海新梅等都曾经因此而被划为石墨烯概念股。

此外,清华大学、中国科技大学、中科院微系统与信息技术研究所也是中方石墨烯研究的重要机构。这三家机构的领域广泛,不仅包括基础研究,也包石墨烯制备技术,以及在电池、生物传染器、复合材料等产业化应用方面。

解密石墨烯:为何能取代锂电池?

很多时候,技术的革命来自于材质,比如塑料的发明,从方方面面改变了人们的生活。而在目前,石墨烯作为一种新材质,受到了极大的关注。实际上,石墨烯是碳的一个种类,具有超高强度、轻薄和可延展的特性,将能够改变数码产品的外观、手感甚至使用形态。下面,我们就来详细了解一下石墨烯材质到底有什么过人之处。

1.比钢铁还硬

虽然LGGFlex可以自我修复轻微的划伤,但仍未改变手机易损坏的缺点。不过,如果手机等数码产品在未来能够使用石墨烯作为外壳的话,则会变得坚若磐石。据美国化学学会的报告称,石墨烯的硬度是钢材的200倍,显然具有非常强的耐用度。

2.如橡胶般具有延展性

哥伦比亚大学的研究人员表示,石墨烯具有一定的延展性,能够伸展20%。也就是说,石墨烯实际上是一种柔性材质,与橡胶类似。三星公司一直在研究石墨烯晶体管,从而生产出柔性屏幕。另外,石墨烯也有一定的耐水性,有望应用在新一代的防水设备上。

3.轻薄特性

石墨烯出色的延展性,还能够让其十分轻薄,足够拉伸到薄到透明的程度。这就意味着,如果手机厂商可以使用这种材质,不仅能够让手机更耐用、防水,还可以变得更轻薄。

4.令人难以置信的电池寿命

我们曾经在电池技术发展类的文章中提到过石墨烯,它极有可能在未来取代锂电池,成为新一代的电池标准。美国西北大学的研究人员已经成功研发出石墨烯和硅材质的电池,充电15分钟可以实现约一周的续航能力,令人惊叹。显然,如果未来手机可以使用石墨烯电池,那么一周一充电将不再是梦想。

5.与人类的身体互联

英国曼彻斯特大学的博士AravindVijayaraghavan发现,石墨烯具有与生物互联的特点,这对健康检测类可穿戴设备具有非常积极的影响。使用石墨烯作为传感器,将可以监测和扫描人类的神经系统,可以想象,未来会出现“精神健康”类的监测设备及应用。

据《纽约时报》报道,石墨烯是一种神奇的材料,它具备颠覆当前所有电子设备的潜质,是“材料的未来和电子行业的救命稻草”。报道称,石墨烯是目前已知的硬度最高、最薄的材料。它由碳原子以特殊结构排列而成,比其他任何材料都具备更好的导热、导电特性。更令人称奇的是,它不仅是世界上最硬的材料,而且柔韧性也最强。厚度只有一层碳原子的石墨烯被称为“奇迹材料”。

石墨烯可以变革电子行业,催生灵活多变的设备、超动力的量子计算机、电子服装及可与身体细胞交流的计算机。

虽然石墨烯早在10年前就被发现,然而它在2010年才真正获得关注。两名曼彻斯特大学的物理学家因石墨烯实验而获得诺贝尔奖。最近,研究人员集中精力研究如何商业化生产石墨烯。

2012年,美国化学学会称石墨烯的强度是钢铁的200倍,它如此轻薄,以至于1盎司的石墨烯可以覆盖28个足球场。中国科学家曾合成石墨烯气凝胶,密度只有空气的1/6;一立方英寸(约16.39立方厘米)的石墨烯气凝胶放在一片草叶上,草叶不会变形。

“石墨烯是世界上为数不多同时具备透明、导电和柔性三大属性的材料。”曼彻斯特大学讲师亚拉文博士(AravindVijayaraghavan说道,“这三种属性很少能在同一个材料上出现。”

石墨烯能做什么?

那么我们可以用石墨烯来做什么?物理学家和研究人员表示,由于石墨烯可以让电子产品的屏幕更清晰且具备柔性特质,这些产品将比以往采用硅材料的设备更薄、更快、更便宜。另外,续航时间长的电池也可具备防水性能。

2011年,美国西北大学的研究人员以石墨烯和硅为原料制造电池,该大学表示这种电池可以让手机“电池用上一周,每次充电只需15分钟”。

2012年,美国化学学会表示,石墨烯技术进步将使得“手机薄如纸张,能够折叠装入口袋”。

亚拉文博士正基于石墨烯研制一系列传感器,包括气体传感器、生物传感器和光传感器,它们的体型比以往更小。

上周,与韩国成均馆大学合作的三星尖端技术研究所的研究人员称,三星已找到在硅片上制造高质量石墨烯的方法。三星在声明中表示,这些技术进步意味着公司可以开始制造“柔性显示屏、可穿戴产品和其他下一代电子产品”。

科技博客Extremetech撰稿人塞巴斯蒂安安东尼(sebastiananthony)表示,三星的突破最终将成为“石墨烯商业化的救命稻草”。

三星并不是唯一研究石墨烯的科技公司,IBM、诺基亚和SanDisk公司的研究人员都在尝试用石墨烯材料创造新型传感器、晶体管和存储器。

石墨烯的未来

当上述设备真正摆到商店货架时,它们的外形和体验可能是我们从未见过的。

哥伦比亚大学机械工程教授詹姆斯豪恩(JamsHone)表示,他的实验室发现石墨烯拉伸20%后仍能保持导电性。他道:“你知道还有什么可以被拉伸20%吗?答案是橡胶。相比之下,电子产品普遍采用的硅材料仅能被拉伸1%。”

他继续说道:“这只是石墨烯疯狂的一面——几乎没有其他材料能它这样。”

你问最大的优势?石墨烯最大的优势是价格便宜。

当今电子行业的很多产品都能利用石墨烯而变得更好、更小、更便宜。

加利福尼亚大学伯克利分校的科学家去年制造了一款石墨烯扬声器,音质等同于甚至好于森海塞尔耳机,体型更小。

石墨烯迷人的地方还在于,它可浸入液体不被氧化,这一点与其他导电材料完全不同。

亚拉文博士说道,石墨烯研究正在向让电子产品与生物系统融合的方向转变。换句话说,石墨烯产品可以植入你的身体中,读取神经系统信息或同细胞对话。

不过,虽然研究人员相信石墨烯将用于下一代电子产品,但整个行业都在使用传统硅芯片和晶体管制造电子产品,他们接纳石墨烯速度可能很缓慢。

倘若真是这样,石墨烯会优先用于其他行业。去年,比尔及梅琳达-盖茨基金会拿出10万美元奖金,奖励利用石墨烯创造出更薄、更轻和更稳固的安全套科学家。

汽车制造商正在探索研制机身采用石墨烯的电动汽车,石墨烯不仅对机身起到保护作用,还将作为太阳能面板为汽车供电。飞机制造商也希望利用石墨烯制造飞机。

如果这些还不够,石墨烯或有助量子计算机的制造。麻省理工学院的国际研究团队正在利用石墨烯研究量子计算机,它将是未来计算行业的大市场。

总之,忘记塑料吧,石墨烯才是我们的未来。

从石墨烯入手

在团队开始研究磷酸铁锂的时候,我们敏锐地察觉到,虽然与磷酸铁锂相关的学术研究已经满坑满谷,可是国内磷酸铁锂专利却面临隐患:两大核心技术分别掌握在加拿大和美国公司的手中,国内70%新能源整车企业及电池供应商将来有可能会成为“被告”。因此我们认为发展能够突破核心专利壁垒的材料技术将对我国磷酸铁锂行业产生重要意义。

碳包覆技术是磷酸铁锂材料技术的核心专利之一,它属于加拿大魁北克水电公司。我们在进行专利分析时,注意到该公司的碳包覆技术专利的权利要求书中特别指明选用有机碳源,这意味着如果采用非有机碳源包覆,就可能“精明地”绕开这一专利壁垒。魁北克水电公司的专利的确把所有可用有机碳源都涵盖进去了,可谓几乎滴水不漏。那么何种碳源可以绕开这一专利壁垒呢?我们随即联想到石墨烯。于是,我们开始了实验,结果显示,石墨烯可以均匀地包覆在磷酸铁锂纳米颗粒表面,并自形成三维导电网络,大大提升了材料的倍率充放电性能和循环稳定性。尽管石墨烯复合技术依然处在实验室阶段,但其可能蕴涵的巨大商业价值让我们毫不迟疑地申请了该技术的专利。

有了专利技术就要努力将其推向市场应用,否则便会成为仅供我们自己孤芳自赏的一种装饰。我们随后成立了专门的攻关小组,相继建立公斤级小试实验线和百公斤级中试实验线,进行石墨烯复合技术的可行性验证。结果表明与当前市场上的磷酸铁锂相比,石墨烯复合技术综合性能优势明显。至此,我们的磷酸铁锂产业化技术,一方面拥有石墨烯复合专利技术,另一方面形成了中试制备工艺,基本具备了产业化条件。

迈出转移第一步

与此同时,陆续有企业和投资者对磷酸铁锂产业化技术表示了浓厚兴趣。在众多接洽的企业中,宁波沪甬电力器材股份有限公司诚意最足,决心最大。2011年3月,磷酸铁锂产业化技术合作协议正式签署,技术交易额近2500万元,据说惊动了不少锂电行业人士。在我看来,这次与沪甬电力的合作,可能是一个值得品味的技术价值极大体现的案例。

为了顺利推进磷酸铁锂产业化项目,团队随后派出了三名技术骨干常驻新成立的专门从事磷酸铁锂生产的宁波艾能锂电材料科技股份有限公司,实施“连人带成果”的技术转移模式。经过一年多的努力,我们建成了年产千吨级磷酸铁锂生产线。

在磷酸铁锂研发即将进入中试阶段时,我意识到石墨烯复合磷酸铁锂技术产业化成功与否,很大程度取决于石墨烯是否便宜易得,这使得团队下决心要发展出石墨烯低成本规模化制备技术。当时,我们在石墨烯制备研究上采用了传统的hummers法。尽管我们解决了大尺寸单层石墨烯的制备难题,但我们更发现,这条技术路线具有难于产业化的天生缺陷——制备效率低和废水处理难。如此一来,石墨烯的制备成本极高,阿里巴巴网上这种石墨烯的价格高达5000元/克,且仅是克级供货。我们当初采用石墨烯改性磷酸铁锂时,每当试验结果不好,糟蹋浪费了苦心准备的一大杯石墨烯,总是十分心疼。为此,我极力鼓励当时负责石墨烯制备研究的周旭峰博士,希望他抓紧探索新的制备方法,目标瞄准低成本规模化制备技术,争取在磷酸铁锂中试实验过程中,可以持续稳定提供石墨烯原料。团队反复试验后发现,采用新的化学剥离方法虽然可以轻松获得石墨烯微片,但片层厚度达6~8纳米。但我认为他们努力的方向是对的,我再次鼓励他们务必进一步将片层厚度控制在10层以下,也就是进入多层石墨烯的范畴。一段时间后,方法终于找到了!所制备的多层石墨烯薄片厚度仅为2~3纳米,平均层数10层以下,且该制备方法可随意放大,百克级石墨烯转眼可提供。至此,一种多层石墨烯的低成本规模化制备技术基本确立。当周旭峰把数据准备完毕,并打算撰写论文时,我突然觉得我们没有必要写论文,否则就把苦心创立的新技拱手奉送给他人了。最后,我们决定不发表论文,而是多申请几项专利,以保护我们的石墨烯制备技术。

停止撰写论文的决定,缘于我发现在市面上叫卖的石墨烯产品其实都是厚度6~15纳米的石墨纳米片(也称为石墨烯微片),这意味着我们所制备的3纳米厚度的多层石墨烯将更具吸引力和竞争力。因此,我决定首先建立一个石墨烯的千克级小试线,以确定该制备方法是否真的具有低成本规模化的潜质。我们根据经验,按照想象,设计搭建了一套半连续的小试线。结果显示,小试线不仅能轻松制备出千克级石墨烯材料,且石墨烯的品质比用烧杯做得更高。我们在2010年的最后一天,在宁波材料所网页上发布了“石墨烯规模化制备技术中取得突破性进展”的新闻,当即引起外界热议和转载。

2011年开春,我就抑制不住召集了一个团队内部紧急讨论会,打算建立石墨烯的吨级中试制备实验线。当时,连周旭峰都认为这太疯狂了,大家认为建立中试线意义不大,且没有足够的科研经费,也没有实验室。我的看法是,中试线意义极大,只有建好中试线,石墨烯制备技术才可能被投资者看中,也才可能快速实现产业化,技术才可能具备商业价值,至于经费和实验室都好办,钱可以借,场地可以外面租!与此同时,一个专门负责石墨烯中试实验的攻关小组成立,短短4个月后,我们正式对外界宣布石墨烯吨级中试线建成。接下来,便是持续的中试实验,以唐长林博士为首的石墨烯攻关小组拿出了韧劲和拼搏精神,不断改进和完善制备工艺。同时,团队锂电池制作小组也不断试用中试出来的石墨烯产品,探索其在锂电池中作为导电剂的可行性和先进性。

2012年9月,“石墨烯产业化技术项目”获得中国科技创业计划大赛最高奖——海外人才创业一等奖。从此,许多投资者纷纷来访,商谈合作。上海南江集团有限公司是最为果断的,在双方接触的当天,便表示愿意接受这一项目,并迅速提出了一个2亿多元的技术转移合作框架。为了表示诚意,未等签约其便将首期款项4000万元汇入宁波材料所。这么快的速度绝不代表草率与冲动。在商议合作框架协议的过程中,南江集团王总第一次写给我的邮件开篇一句话是”一万年太久,只争朝夕”,这表达了王总作为一名企业家、投资者,希望尽快把一个有前途的新技术推向产业化,愿意与我们团队“共同创造属于中国人的荣誉与骄傲”的决心。王总的话语令我感动,让我鼓足勇气迎接新挑战,我要带领团队一起,把石墨烯推向产业化,去创造一种属于新的现实,一种超越科技成果产业化的现实。

点击阅读更多 v
九游会俱乐部锂电,19年专注锂电池定制
九游会俱乐部精选

九游会俱乐部核心技术能力