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。

01一颗旧卫星

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model3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。