电动汽车发展的正道？石墨烯电池技术
[XCAR 科技 原创]
石墨烯是最近一两年非常火热的概念，它已经逐渐取代“纳米材料”，成了商家热炒、媒体报道、老百姓不知所云的又一种高科技。有关石墨烯手机、石墨烯电池之类的报道层出不穷，普通人常常被“充电十分钟能跑1000公里”、“中东油霸要完“之类的标题所吸引，但是读罢依然不知道石墨烯到底是个什么鬼。
要了解石墨烯，就要从石墨烯被发现的过程说起。
2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。他们的制备方法听起来非常不可思议，没有用到什么高大上的精密仪器，而是撕胶带撕出来的。
这两位科学家将石墨薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。重复N次之后，薄片越来越薄，最终撕剩下的是仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。当然，个中过程显然没有我们说得那么轻松，要知道1毫米厚的石墨片大约包含300万层石墨烯。撕胶带撕出一个诺贝尔奖，这两位科学家可真太会玩了，跟他们比起来，撕名牌撕兄弟什么的全都弱爆了。
从石墨烯被发现的过程里，我们可以了解到石墨烯最突出的一个特点，仅由一层碳原子组成。也就是说，石墨烯是一种网状的二维材料，而且这张网的厚度仅仅相当于一个碳原子的直径。同时，这张网上的每一个网格都是正六边形，正六边形的每一个角上都是一个碳原子。石墨烯的结构并不复杂，不过科学家告诉我们，得益于这些特点，石墨烯是目前世上最薄却也是最坚硬的材料，几乎完全透明。同时它的导电性和导热性极强，是目前世上电阻率最小的材料。
众多的优点决定了石墨烯是一种前景极为广阔的材料，在各行各业都能得到应用。在电动汽车领域，石墨烯材料除了能够降低车身重量，更受关注的应用是利用其优良的导电性来提高动力电池的性能。但是在此之前，首先要解决的是石墨烯的制造问题。
一般来说，石墨烯的制造方法包括机械剥离法、氧化还原法、溶剂剥离法，以及化学气相沉积法(CVD)。
机械剥离法是一种纯物理的手段，比如最初发现石墨烯时撕胶带，就是一种机械剥离法。这种方法的缺点是生产率极低，无法应用于大规模生产。
氧化还原法成本较低，是目前制造石墨烯的最主要方法。不过这种方法在制造过程中会用到大量的浓硫酸，大概1000吨浓硫酸才能制得1吨石墨烯，同时会产生大量的废酸，对环境造成严重的污染。
溶剂剥离法和化学气相沉积法（CVD）比较复杂，其原理太过专业（我才不会承认是我没看明白），这里就不跟大家细说了。这两种方法的共同的缺点是成本较高。
目前国内石墨烯行业看似火热，但是很大程度上是依赖氧化还原法这种粗放、不环保的方法，来获取成本相对低廉的石墨烯。类似的情况我们已经见识过很多次了，比如光伏产业，最后的产品是环保的，但是在制造过程中会产生大量的污染，所以国外的产量不大，中国企业一看有利可图，就一窝蜂上马光伏项目，最后中国以牺牲自己的环境为代价向世界提供了廉价的太阳能面板。在石墨烯行业，中国的企业又要再次发扬这种国际主义精神了吗？
从小我们就被教育，要走可持续发展之路，不能先污染后治理。道理大家都懂，但到了现实当中，依然是每天被污染包围。石墨烯行业不能再重蹈覆辙了，得走一条无污染的正道。那石墨烯行业的正道是什么呢？
科学技术是第一生产力，也是发展石墨烯的正道。中国的石墨烯行业虽然火热，但研究水平并不高。不过，现在的很多中国企业是不差钱的，既然外国人能买咱们的资源，那咱们也能买他们的技术。总部位于香港的正道集团就正在做这件事。
正道集团目前还不为人所知，但是其幕后掌舵者仰融在中国汽车界可是一位传奇性的人物。仰融的正道集团将目标瞄准了当前正火爆的电动汽车，但与那些热衷于大Pad的竞争者不同，正道集团并不突出互联网元素，它的核心在于其石墨烯电池技术。
正道集团的石墨烯技术得益于与顶尖学术机构的合作，它与美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）合作建立了UCLA-正道石墨烯研究中心。这一合作的成果就是以天然气为原料，利用化学气相沉积法（CVD）制造石墨烯，这是一种真正环保的低成本、单层石墨烯大规模量产工艺及技术。
有了先进的石墨烯制造技术，正道集团可以说已经拿到了通向电动汽车未来的钥匙。而在应用层面，正道集团正在加快把石墨烯和传统动力电池相结合的步伐。
在电池技术上，正道集团所选择的技术路线是先发展较为成熟的钛酸锂电池；然后以石墨烯对其加以改进，开发出钛酸锂石墨烯电池；最后研发出更加先进的石墨烯锂硫电池。
正道集团目前的电池产品主要是钛酸锂电池。和常见的磷酸铁锂电池、三元锂电池相比，钛酸锂电池的优势在于：循环寿命长，超过35000次，其它锂电池则小于5000次；工作温度范围广，在-30℃的环境中依然能正常工作；快充能力强，70kWh的电池只需10分钟即可100%充满。但是钛酸锂电池也有其缺点，那就是能量密度低，只能达到80Wh/kg，而三元锂电池的能量密度已经超过了150Wh/kg。
基于钛酸锂电池的特点，正道集团在现阶段主要发展纯电动公交车。它们的纯电动公交车不走寻常路，电池电量为70kWh，续航里程仅有50km上下，可供公交车行驶完单程线路。抵达终点后，利用直流快充桩10分钟充满电，就可重新上路了。
这种设计对电池电量要求低，一方面有效降低了纯电动公交车的采购成本，要知道，续航250km的电动公交车价格一般在200万元以上；另一方面，减少了电池所占用的重量和空间，提高了电动公交车的载客量。同时，这样一来也规避了钛酸锂电池能量密度低的缺点，充分发挥了其循环寿命长、快充能力强的优势。
国家目前对大功率充电站有很多补贴。按照正道集团的设计，在公交车的终点站需要建一座含3个充电桩、6个充电枪的充电站。建站的成本大约是300多万元，而国家的补贴可以达到200多万元，客户只需要花费几十万元。
钛酸锂石墨烯电池
正道集团已经利用其石墨烯技术方面的优势，对钛酸锂电池加以改进，成功开发出石墨烯增强钛酸锂电池。这种电池能量密度增加到了120Wh/kg，快速充电时间则大幅缩短了70%，低温条件下的性能也进一步增强。
石墨烯锂硫电池
锂硫电池是以硫作为正极材料的一种电池，其理论能量密度高达2600Wh/kg。不够，由于硫的导电性差等原因，锂硫电池还存在许多问题。不过，在其中加入石墨烯之后，锂硫电池的能量密度虽然有所降低，但存在的问题都能得到有效的解决，石墨烯锂硫电池或许就是电动汽车的终极解决方案。
在石墨烯锂硫电池的研发上，正道集团与美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）合作建立的UCLA-正道石墨烯研究中心再次发挥了巨大的作用，该中心目前已经制造出了石墨烯锂硫电池样品，能量密度达到了300 Wh/kg。
在今后几年之内，正道集团的石墨烯锂硫电池的能量密度还将持续提升。以此为基础，正道集团也将进入乘用车领域，在2018-2020年正式推出采用增程式混合动力的轿车和SUV产品。
编辑点评 ：电池是电动汽车的核心，也是解决里程焦虑问题的关键。目前三元锂电池、磷酸铁锂电池的进步是一种量变，而石墨烯电池带来的则将是质变。在众多企业的推动之下，这种质变有望早日到来。
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特斯拉电池：自研4680还是全固态？准固态材料是新方向
电动汽车作为燃油车的终结者，其续航焦虑是必须克服的一个 “软肋”，另外，也有业内人士认为电动汽车的竞争归根结底本质上其实是 “电池的竞争”。作为电动汽车界的 “一哥”，特斯拉深知电池对于自身的重要性。
对于特斯拉下一步将会使用什么电池，浙江大学材料科学与工程学院涂江平在接受采访时表达了自己的看法，他告诉 DeepTech：“未来特斯拉应该会使用大容量电池，管理系统比较简单，材料体系则会往准固态走。”
数据显示，目前电动汽车产业电池成本能够占到整车的 40% 左右，电池占据电动汽车成本的大头，同时，电池的性能直接关乎汽车的整体性能表现，比如核心的续航能力等。
图｜特斯拉电动汽车（来源：特斯拉官网）
类似于手机的超长待机，超长续航是特斯拉所一直追求和突破的，而电池正是决定电动汽车续航的核心。然而，想提高电动汽车的续航，一味地靠加大电池容量并非明智之举，提升电池的能量密度才是正道，而固态电池正是目前极具潜力的新型电池之一。
全固态电池为什么让特斯拉 “爱恨交加”
提到新型电池必然少不了固态电池 —— 这个被业界普遍看好的电池品类。首先解释一下什么是固态电池？其全名是固态锂离子电池，是一种没有液体电解质的电池。与之相反的则是液态锂电池，比如大家最常见的锂离子电池，也就是你手中手机的电池。
值得注意的是，“固态电池” 和 “全固态电池” 是两个不同的概念。据了解，根据电解质的种类，锂离子电池可以分为液态锂电池、固液混合锂电池和全固态锂电池三类。
图｜液态锂电池和固态锂电池结构示意（图片来源伊维智库）
它们最主要的区别是电池内部液体电解质与固体电解质的比例不同。比如固液混合锂电池内含有一定量的液体电解质，而全固态锂电池内没有液体电解质，全部都是固态电解质。
得益于全新材料和独特结构，全固态电池所具备的优势几乎是压倒性的，综合安全性、能量密度、功率密度、循环寿命、高低温性等性能等各个方面都表现优异，很明显，这些优点恰恰都是特斯拉 “梦寐以求” 的。但全固态电池也有一个致命缺点，那就是成本过高，确切的说是现阶段成本很高，显然，这又让特斯拉 “望而却步”。
关于全固态电池，中国工程院院士陈立泉曾对媒体表示：“液态锂电池容易引发安全忧虑，300Wh/kg 的能量密度也已到达极限。下一步要发展固态电池，或者逐渐过渡到全固态锂电池。”他补充称：“固态电池的负极材料可以是纳米硅和石墨的复合负极，正极可以是锰酸锂、富锂锰基材料或不含锂的正极材料，电解质是固体电解质，能量密度可达 300~450Wh/kg。”
对于全固态电池的技术现状，中国科学院物理研究所李泓也曾公开表示：“总体而言，固态电池在世界范围内尚处于研发阶段，目前还没有企业展示综合性能及成本都能与液态锂电池相媲美的大容量固态动力电池。” 他还说：“由于全固态锂电池目前尚未完全解决循环过程中固相界面接触及体积膨胀问题，材料体系、生产工艺、应用技术因此也不成熟，并未形成供应链、得到充分验证，短期内无法实现大规模量产，预计还需约 5 年时间。”
就在前不久，中国科学院院士、汽车安全与节能国家重点实验室主任欧阳明高也曾说过类似的话：“如果某一位说他的车既能跑一千公里，又能几分钟充完电，还特别地安全，而且成本还非常低，那大家不用相信，因为这在目前是不可能同时达到的。”
显然，就现阶段而言，虽然全固态电池优势突出，但受到目前工业技术水平的限制，短期内难以实现规模化量产。
特斯拉放大招，自研的 4680 新型电池是何来头？
既然短期内等不来全固态电池，于是特斯拉便开始 “自立门户” 研发制造新型电池。
去年 9 月，特斯拉在 “电池日” 上发布了全新的 4680 电池。据了解，这款电池的直径为 46mm、高度为 80mm，其最大的特征是采用了激光雕刻的无极耳技术，突破圆柱电池的尺寸限制，由于没有了电池主要发热部件，电池的热稳定可控性更高。而且这样的设计令功率输出提升了 6 倍，续航里程提升了 16%，每千瓦时的成本下降了 14%，而且充电时间也大幅缩减。
图｜特斯拉 4680 电池的外观（来源：特斯拉官方微博）
图｜特斯拉 4680 电池的内部结构（来源：特斯拉官方微博）
新型 4680 电池在能量密度、性能、成本、安全等多个维度都实现了不小的跨越，与目前正在使用的 2170 电池相比，其能量密度提升了 5 倍。在 “电池日” 上特斯拉还展示了 4680 电池的组装信息，据介绍，新的电池包采用无模组设计，大约由 960 个 4680 电池组成，相比上千个 2170 电池组成的电池组要少一些，而且电池包的能量密度达到了 300Wh/kg。
使用新型电池后，特斯拉电动汽车的续航里程将增加 54%，成本将下降 56%。显然，这种 4680 电池一旦量产，将大大助力特斯拉实现降低制造成本的目的。
简单概括总结一下就是：特斯拉开发的 4680 新型电池成本更低、能量密度更大、充放电功率效率更高。
对此，有业内人士根据特斯拉 Model 3 的目前售价进行了粗略估算，若采用这种 4680 新型电池后其售价很可能低至 16 万元左右。
图｜特斯拉 4680 电池的 “无极耳” 技术
早在2020年5月特斯拉便披露了4680电池无极耳技术：其核心设计理念是通过正负极集流体与盖板 / 壳体直接连接，成倍增大电流传导面积、缩短电流传导距离，从而大幅降低电池内阻，减少发热量延长电池寿命，并提高充放电峰值功率；并通过优化电池结构件、简化电池生产工艺流程等，提升电池标准化生产能力、降低电池成本。
对于特斯拉的 4680 电池技术，涂江平告诉 DeepTech：“这个是成熟技术，他们叫无极耳技术，我们叫全集流体技术，早在 2014 年我们就获专利了，国内大圆柱电池现在基本都采用这个结构设计和工艺。”
特斯拉快马加鞭，加速自研电池落地量产
特斯拉作为一家车企，起初在电池领域的技术沉淀较少，只是通过第三方采购电池或者合资共建的方式保障电池供应。
从 1865 电池到 2170 电池，特斯拉一直都在坚持提升电池能量密度、降低电池成本的策略。2017 年，特斯拉引入电池科学家 Jeff Dahn 研究团队从技术、工艺等方面重新布局电池领域。2020 年，特斯拉宣布自建新型电池试验线，同年 5 月披露 “无极耳” 电池专利，9 月正式发布 4680 新型电池。
据悉，目前特斯拉正计划在德国的格林海德市建设一个超级工厂，由汽车工厂和电池工厂两部分构成，分别生产新款 Model Y 电动汽车和新型电池。德国联邦经济和能源部也在上周批准了启动电池工厂建设初步方案。
目前，特斯拉正计划为电池工厂招募员工。有媒体消息称：“特斯拉计划在这个电池工厂大批量生产性能更佳的 4680 新型电池。”
马斯克去年就曾表示，已经在美国的得克萨斯州 “试点工厂” 试制 4680 电池。未来，随着格林海德市电池工厂的建成，届时或将成为世界上规模最大的汽车电池工厂。
依托自研自制的 4680 新型电池，特斯拉还能让整车的综合成本进一步降低，这很好的契合了特斯拉 “低价抢市场” 的商业策略，以加速特斯拉拓展全球市场，尤其是东南亚、南美等欠发达地区市场。
4680和全固态，哪个会是特斯拉未来的押宝对象？
特斯拉大费周章的自研电池，那这种 4680 电池会是特斯拉未来的押宝对象吗？短期是，但长远看未必。结合消费市场、商业策略等综合因素分析，特斯拉使用 4680 电池更像是一种 “不得已的选择”，也可以理解为是一种过渡。
回顾去年 “特斯拉电池日”，发布会上展示更多的是特斯拉自研电池的创新思路，包括外观、结构以及制造工艺等等。细看不难发现，其实 4680 新型电池的核心电化学体系并没有革命性的创新，也没有超越包括宁德时代、LG 化学、松下等专业电池企业的研发范畴。
在电池技术日新月异的当下，国内的一些电动汽车品牌也相继推出了全新电池品类，比如固态电池、石墨烯电池等等，然而相较于这些，特斯拉的 4680 电池似乎是最接近能够实现量产的。
至于最近热度颇高的石墨烯电池，就目前而言，石墨烯在电池领域的应用，一是作为负极材料，二是作为导电添加剂。事实上，用石墨烯做负极材料会导致成本极高，且目前技术尚不成熟。但如果是被用作导电添加剂，严格来说，这种电池应该被称为 “石墨烯基电池” 或 “掺杂石墨烯的硅基负极锂电池”，显然这和传统意义上的 “石墨烯电池” 是两个不同概念。
对此，中国科学院山西煤炭化学研究所研究员陈成猛曾向 DeepTech 透露：“在锂离子电池领域，石墨烯目前仅作为辅助性的填料使用，在主体材料或电化学体系没有技术突破的情况下，其应用仅可改善储电部分性能，但效果远达不到 ‘颠覆’ 的程度，将这类电池称为 ‘石墨烯电池’ 也是不科学的。”
纵观过往，任何科技产品的普及都要经历一个由研发到量产的过程，只是这个过程或长或短。具体到全固态电池，从实验室研发，到投产制造，再到大规模量产，整个时间周期很长，更为关键的是成本。
特斯拉的商业策略是 “低价抢市场”，在这个策略下，虽然全固态电池 “无限好”，但成本是个 “硬伤”，而且距离大规模量产还有很长一段路要走，所以，特斯拉短期内使用的可能性不大。当然，也不排除特斯拉试验性地将全固态电池率先应用在非量产尖端车型的可能。
最后，不妨大胆的猜想预测：特斯拉下一步大概率会使用全固态电池，但在全固态电池成本尚未降到合理水平时，自研的 4680 电池无疑是一个很好的过渡。
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