起底石墨烯電池：廣汽集團(tuán)到底在急什么?

上周五(1月15日)尾盤,廣汽集團(tuán)(SH:601238/HK:02238)“石墨烯電池”9月量產(chǎn)的消息引爆市場。當(dāng)天,A/H兩地市場的廣汽,A股漲停收盤,港股則收漲19．5%,成交額分別達(dá)到10億和37億元。

不過市場里彌漫的樂觀情緒甚至未持續(xù)過24小時。隔天舉行的中國電動車百人會論壇上,歐陽明高院士的一番話,迅速為市場的熱忱澆下一盆冷水,他說:“如果某一位說,(這個車)既能跑1000公里,又能幾分鐘充完電,而且還特別安全,成本還非常低,大家不用相信,因?yàn)槭遣豢赡艿?。?/p>

圖1:受“石墨烯電池”消息促動,廣汽股價單日暴漲。來源:百度

“充電8分鐘續(xù)航1000公里”,“續(xù)航1000公里”,廣汽集團(tuán)放出的這顆“電池衛(wèi)星”究竟是怎么回事?

隨著更多業(yè)內(nèi)人加入討論、官方的進(jìn)一步解釋以及我們在技術(shù)維度的研判,目前已大致確認(rèn)3件事:

1． 廣汽所謂“石墨烯電池”說法并不準(zhǔn)確,但并非不切實(shí)際;

2． 該石墨烯電池主要涉及一項(xiàng)電池負(fù)極技術(shù):以石墨烯作為導(dǎo)電添加劑的“硅基復(fù)合負(fù)極材料技術(shù)”。其中,石墨烯作為負(fù)極材料中導(dǎo)電添加劑的摻入(最多不超過8%),可以提升電池的高倍率充電性能,即輔助實(shí)現(xiàn)所謂的“充電8分鐘續(xù)航1000公里”;基于“一核雙殼”結(jié)構(gòu)工藝的“硅基鋰離子負(fù)極”,則可以提升電池循環(huán)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)密度與放電倍率性,即實(shí)現(xiàn)所謂的“續(xù)航1000公里”。

3． 該電池同時涉及一項(xiàng)快充技術(shù):在以石墨烯為三元鋰電池正極材料導(dǎo)電劑基礎(chǔ)上,通過一套降溫冷卻系統(tǒng),而實(shí)現(xiàn)6C快充能力,即一種“充電8分鐘續(xù)航1000公里”技術(shù)。

基于這樣的基本事實(shí),我們的結(jié)論是:廣汽所稱的“石墨烯電池”正確的命名應(yīng)為“摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池”。這項(xiàng)電池技術(shù)并非新技術(shù),但在工藝上有較大突破。該電池所標(biāo)榜的性能參數(shù),雖然有水分,但也有較大的實(shí)現(xiàn)可能性。

01

一顆舊衛(wèi)星

實(shí)際上,長期追蹤石墨烯技術(shù)的人士都知道,廣汽這幾天放出的“石墨烯電池”衛(wèi)星,本身就是一顆“舊衛(wèi)星”。早在2014年,就有一家名叫Graphenano(中文意為“石墨納米”)的西班牙公司公司就號稱已與該國科爾瓦多大學(xué),聯(lián)合研發(fā)出了全球首件石墨烯聚合材料電池。

在對外推介這件石墨烯電池時,Graphenano使用的參數(shù)話術(shù)就包括:

◆能量密度超過600wh/kg(即每公斤電芯可產(chǎn)生0．6度電。理論上,500wh/kg可以實(shí)現(xiàn)1000公里的真實(shí)續(xù)航);

◇單次續(xù)航里程可高達(dá)1000公里;

◆單次完全充電僅需8分鐘以內(nèi);

◇使用壽命是鋰電池的兩倍。

……

不過令人感到遺憾的是,Graphenano與科爾瓦多大學(xué)主導(dǎo)的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù),迄今仍未走出PPT,時間過去6年多未見落地。

本質(zhì)上說,無論是2014年的Graphenano還是2021年的廣汽,它們所謂的“石墨烯電池”,都是希望通過“核—?dú)ぁ苯Y(jié)構(gòu)工藝實(shí)現(xiàn)石墨烯與硅的結(jié)合,作為新的硅基負(fù)極材料,部分替代原來完全以石墨為核心的碳基負(fù)極材料,以提升鋰電池的整體容量和充電速度。

故而,這種電池正確的命名方式應(yīng)為“摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池”,本質(zhì)仍是鋰電池(因?yàn)槭褂昧孔畲蟮暮诵恼龢O材料未發(fā)生變化),而不是石墨烯電池。

02

有水分但并非不切實(shí)際

歐陽院士的一盆冷水非常及時,因?yàn)閺V汽所稱的“1000公里高續(xù)航”與“10分鐘快充技術(shù)”均存在一定水分,而且受制于現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)鏈的配套設(shè)施不健全難以短期鋪開。

但理性地說,廣汽前瞻發(fā)布的這項(xiàng)“摻雜石墨烯的鋰電池”,并非不切實(shí)際,“脫水”之后仍有較強(qiáng)的可行性與市場空間。

【1】先說水分:“摻雜石墨烯的鋰電池”仍屬于過渡技術(shù),性能提升存在天花板。

我們幾乎可以斷定,在廣汽版“摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池””中,石墨烯的作業(yè)是作用導(dǎo)電劑,以減小抗阻性、提升充放電的倍率性,即主要用于提升充電速度。

但對于對鋰離子電池來說,石墨烯作為導(dǎo)電劑附著于硅基復(fù)合負(fù)極材料中(或同樣作為導(dǎo)電劑附著于三元鋰電正極材料中),沒有辦法從根本上改變鋰離子電池的能量密度,在提升電池整體容量方面只起到輔助性作用。

在提升電池容量(或稱能量密度)方面發(fā)揮主要作用的,是硅材料(納米硅)。也就是說,廣汽版“摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池”中,真正的主角是以納米硅為核心的復(fù)合型(其實(shí)引入納米硅后,石墨占比仍超過納米硅)負(fù)極材料。

真正以石墨烯為主體材料的動力電池,目前尚無法在實(shí)驗(yàn)室中完全實(shí)現(xiàn)。故而,從截至目前的現(xiàn)實(shí)路徑上看,固態(tài)電池的前景(以特斯拉4680無極耳電池為代表)還是要明顯優(yōu)于“摻雜石墨烯的鋰電池”,后者只屬于一種過渡技術(shù)。

一言以蔽,廣汽所稱的“石墨烯電池”,最核心突破還在于“一核兩殼”結(jié)構(gòu)工藝(下文會具體說)的硅基復(fù)合型負(fù)極材料技術(shù);但鑒于掌管鋰電池核心性能指標(biāo)的還是正極材料,所以這項(xiàng)技術(shù)在電池性能提升方面存在顯著天花板。

【2】再說現(xiàn)實(shí)意義:廣汽的硅基復(fù)合型負(fù)極材料技術(shù)工藝以及電池快充技術(shù),擁有理論數(shù)據(jù)支持,有著較為現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用前景與競爭力。

眾所周知的是,硅是目前已知比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負(fù)極材料,是石墨類負(fù)極材料的12倍多。故而,將納米硅引入鋰電池的負(fù)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。

目前,現(xiàn)有電動車的電池系統(tǒng)能量密度普遍為160wh/kg(比亞迪的漢EV電芯能量密度為170wh/kg,特斯拉model 3長續(xù)航版為161wh/kg),而廣汽基于硅基復(fù)合型負(fù)極材料技術(shù)的“摻雜石墨烯的鋰電池”,據(jù)說將能實(shí)現(xiàn)280wh/kg,即實(shí)現(xiàn)了57%的能量密度提升。

如果事實(shí)如此,那意味著:參照160wh/kg能量密度所對應(yīng)的600公里NEDC續(xù)航,廣汽“摻雜石墨烯的鋰電池”的確可以實(shí)現(xiàn)1000公里NEDC續(xù)航。當(dāng)然,具體到真實(shí)續(xù)航,往往還需要打上6、7折。

另外,關(guān)于這款電池的快充問題,目前有投資者質(zhì)疑其是否噱頭大于實(shí)質(zhì)。而來自廣汽集團(tuán)方面的技術(shù)儲備則顯示,針對這個問題,它們的秘密武器是一項(xiàng)“包括殼體、液冷結(jié)構(gòu)及設(shè)于所述殼體內(nèi)的多個電芯模組”的動力電池系統(tǒng)實(shí)用新型專利技術(shù)。

該系統(tǒng)也涉及石墨烯——在正極材料中也添加石墨烯作為導(dǎo)電劑。該系統(tǒng)的核心在于基于石墨烯導(dǎo)電劑的“一套降溫冷卻系統(tǒng)”,使內(nèi)部溫度的一致性和安全性也能得到保障,進(jìn)而確保搭載該系統(tǒng)的車輛可在10分鐘(6C)內(nèi)完成快速充電。

圖3:不同材料的電阻系數(shù)與溫度系數(shù),第一列為石墨烯。來源:百度百科

這里簡單說下什么是6C快充:目前對于快充并沒有一個特別嚴(yán)格的定義,一般可以理解為在小于1小時內(nèi)充電的制度(即充電速率大于1C),以區(qū)別于慢充數(shù)小時級的充電。根據(jù)早期美國加州空氣資源委員會(CARB)的規(guī)定,電動汽車快速充電時間為10min(6C)。

不過必須指出得是,快沖技術(shù)在當(dāng)前的實(shí)現(xiàn),不僅取決于電池本身,更取決于高功率充電樁技術(shù)的推廣。這也在很大程度上,是一個產(chǎn)業(yè)鏈耦合問題,對中國的充電樁行業(yè)進(jìn)一步的技術(shù)升級形成挑戰(zhàn)與機(jī)遇。

最重要的是,廣汽這一電池技術(shù),本身對于石墨烯的需求并不特別大,加之最近3年多基礎(chǔ)型石墨烯產(chǎn)品的售價大幅降低,所以僅就石墨烯而言,對于成本的制約并不突出。制約這項(xiàng)電池技術(shù)的主要成本以及難度,可能來自于電池設(shè)備及工藝。

以上,因循謹(jǐn)慎性原則,鑒于固態(tài)電池或許至少要在2025年才能商業(yè)化,廣汽這一“摻雜石墨烯的硅基負(fù)極鋰電池”如果能夠在一年內(nèi)量產(chǎn),還是很有競爭力的。