起底“石墨烯电池”：有水分但并非不切实际

上周五(1月15日)尾盘,广汽集团(SH:601238/HK:02238)“石墨烯电池”9月量产的消息引爆市场。当天,A/H两地市场的广汽,A股涨停收盘,港股则收涨19．5%,成交额分别达到10亿和37亿元。

不过市场里弥漫的乐观情绪甚至未持续过24小时。隔天举行的中国电动车百人会论坛上,欧阳明高院士的一番话,迅速为市场的热忱浇下一盆冷水,他说:“如果某一位说,(这个车)既能跑1000公里,又能几分钟充完电,而且还特别安全,成本还非常低,大家不用相信,因为是不可能的。”

图1:受“石墨烯电池”消息促动,广汽股价单日暴涨。来源:百度

“充电8分钟续航1000公里”,“续航1000公里”,广汽集团放出的这颗“电池卫星”究竟是怎么回事?

随着更多业内人加入讨论、官方的进一步解释以及我们在技术维度的研判,目前已大致确认3件事:

1． 广汽所谓“石墨烯电池”说法并不准确,但并非不切实际;

2． 该石墨烯电池主要涉及一项电池负极技术:以石墨烯作为导电添加剂的“硅基复合负极材料技术”。其中,石墨烯作为负极材料中导电添加剂的掺入(最多不超过8%),可以提升电池的高倍率充电性能,即辅助实现所谓的“充电8分钟续航1000公里”;基于“一核双壳”结构工艺的“硅基锂离子负极”,则可以提升电池循环稳定性、结构密度与放电倍率性,即实现所谓的“续航1000公里”。

3． 该电池同时涉及一项快充技术:在以石墨烯为三元锂电池正极材料导电剂基础上,通过一套降温冷却系统,而实现6C快充能力,即一种“充电8分钟续航1000公里”技术。

基于这样的基本事实,我们的结论是:广汽所称的“石墨烯电池”正确的命名应为“掺杂石墨烯的硅基负极锂电池”。这项电池技术并非新技术,但在工艺上有较大突破。该电池所标榜的性能参数,虽然有水分,但也有较大的实现可能性。

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一颗旧卫星

实际上,长期追踪石墨烯技术的人士都知道,广汽这几天放出的“石墨烯电池”卫星,本身就是一颗“旧卫星”。早在2014年,就有一家名叫Graphenano(中文意为“石墨纳米”)的西班牙公司公司就号称已与该国科尔瓦多大学,联合研发出了全球首件石墨烯聚合材料电池。

在对外推介这件石墨烯电池时,Graphenano使用的参数话术就包括:

◆能量密度超过600wh/kg(即每公斤电芯可产生0．6度电。理论上,500wh/kg可以实现1000公里的真实续航);

◇单次续航里程可高达1000公里;

◆单次完全充电仅需8分钟以内;

◇使用寿命是锂电池的两倍。

……

不过令人感到遗憾的是,Graphenano与科尔瓦多大学主导的这项实验室技术,迄今仍未走出PPT,时间过去6年多未见落地。

本质上说,无论是2014年的Graphenano还是2021年的广汽,它们所谓的“石墨烯电池”,都是希望通过“核—壳”结构工艺实现石墨烯与硅的结合,作为新的硅基负极材料,部分替代原来完全以石墨为核心的碳基负极材料,以提升锂电池的整体容量和充电速度。

故而,这种电池正确的命名方式应为“掺杂石墨烯的硅基负极锂电池”,本质仍是锂电池(因为使用量最大的核心正极材料未发生变化),而不是石墨烯电池。

02

有水分但并非不切实际

欧阳院士的一盆冷水非常及时,因为广汽所称的“1000公里高续航”与“10分钟快充技术”均存在一定水分,而且受制于现实产业链的配套设施不健全难以短期铺开。

但理性地说,广汽前瞻发布的这项“掺杂石墨烯的锂电池”,并非不切实际,“脱水”之后仍有较强的可行性与市场空间。

【1】先说水分:“掺杂石墨烯的锂电池”仍属于过渡技术,性能提升存在天花板。

我们几乎可以断定,在广汽版“掺杂石墨烯的硅基负极锂电池””中,石墨烯的作业是作用导电剂,以减小抗阻性、提升充放电的倍率性,即主要用于提升充电速度。

但对于对锂离子电池来说,石墨烯作为导电剂附着于硅基复合负极材料中(或同样作为导电剂附着于三元锂电正极材料中),没有办法从根本上改变锂离子电池的能量密度,在提升电池整体容量方面只起到辅助性作用。

在提升电池容量(或称能量密度)方面发挥主要作用的,是硅材料(纳米硅)。也就是说,广汽版“掺杂石墨烯的硅基负极锂电池”中,真正的主角是以纳米硅为核心的复合型(其实引入纳米硅后,石墨占比仍超过纳米硅)负极材料。

真正以石墨烯为主体材料的动力电池,目前尚无法在实验室中完全实现。故而,从截至目前的现实路径上看,固态电池的前景(以特斯拉4680无极耳电池为代表)还是要明显优于“掺杂石墨烯的锂电池”,后者只属于一种过渡技术。

一言以蔽,广汽所称的“石墨烯电池”,最核心突破还在于“一核两壳”结构工艺(下文会具体说)的硅基复合型负极材料技术;但鉴于掌管锂电池核心性能指标的还是正极材料,所以这项技术在电池性能提升方面存在显著天花板。

【2】再说现实意义:广汽的硅基复合型负极材料技术工艺以及电池快充技术,拥有理论数据支持,有着较为现实的应用前景与竞争力。

众所周知的是,硅是目前已知比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料,是石墨类负极材料的12倍多。故而,将纳米硅引入锂电池的负极材料中,部分替代石墨,理论上可以极大提升锂电池的能量密度。

目前,现有电动车的电池系统能量密度普遍为160wh/kg(比亚迪的汉EV电芯能量密度为170wh/kg,特斯拉model 3长续航版为161wh/kg),而广汽基于硅基复合型负极材料技术的“掺杂石墨烯的锂电池”,据说将能实现280wh/kg,即实现了57%的能量密度提升。

如果事实如此,那意味着:参照160wh/kg能量密度所对应的600公里NEDC续航,广汽“掺杂石墨烯的锂电池”的确可以实现1000公里NEDC续航。当然,具体到真实续航,往往还需要打上6、7折。

另外,关于这款电池的快充问题,目前有投资者质疑其是否噱头大于实质。而来自广汽集团方面的技术储备则显示,针对这个问题,它们的秘密武器是一项“包括壳体、液冷结构及设于所述壳体内的多个电芯模组”的动力电池系统实用新型专利技术。

该系统也涉及石墨烯——在正极材料中也添加石墨烯作为导电剂。该系统的核心在于基于石墨烯导电剂的“一套降温冷却系统”,使内部温度的一致性和安全性也能得到保障,进而确保搭载该系统的车辆可在10分钟(6C)内完成快速充电。

图3:不同材料的电阻系数与温度系数,第一列为石墨烯。来源:百度百科

这里简单说下什么是6C快充:目前对于快充并没有一个特别严格的定义,一般可以理解为在小于1小时内充电的制度(即充电速率大于1C),以区别于慢充数小时级的充电。根据早期美国加州空气资源委员会(CARB)的规定,电动汽车快速充电时间为10min(6C)。

不过必须指出得是,快冲技术在当前的实现,不仅取决于电池本身,更取决于高功率充电桩技术的推广。这也在很大程度上,是一个产业链耦合问题,对中国的充电桩行业进一步的技术升级形成挑战与机遇。

最重要的是,广汽这一电池技术,本身对于石墨烯的需求并不特别大,加之最近3年多基础型石墨烯产品的售价大幅降低,所以仅就石墨烯而言,对于成本的制约并不突出。制约这项电池技术的主要成本以及难度,可能来自于电池设备及工艺。

以上,因循谨慎性原则,鉴于固态电池或许至少要在2025年才能商业化,广汽这一“掺杂石墨烯的硅基负极锂电池”如果能够在一年内量产,还是很有竞争力的。