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《石墨烯-硅锂离子电池要来了！美日联合推进商业化》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2018-12-07

  • 总部位于美国的锂离子电池用硅石墨烯材料开发商SiNode Systems和总部位于东京的特种化学品制造商JNC公司将联合成立合资企业NanoGraf公司，致力于推进石墨烯-硅锂离子电池及先进材料商业化，该合资企业已投资450万美元，SiNode将改名为NanoGraf。

    NanoGraf的技术旨在使用最初在西北大学发明的专有石墨烯包裹的硅阳极来提高电池材料的性能。据报道，硅基合金和柔性3D石墨烯网络的独特组合有助于在充电和放电期间稳定活性材料。NanoGraf材料表明，它可将电池能量和功率密度提高多达50％，并提供与同类产品相比最佳的循环寿命。

    据报道，NanoGraf电池材料可以定制，可以实现1000mAh / g到2500mAh / g之间的容量，为高放电应用提供更高的电池级能量密度和更快的充放电效率。

    Nanograf采用了一种湿化学工艺，这种工艺具有很高的可伸缩性，并且已经在日本的一条试车生产线上得到了证实。阳极材料加入到现有的电极混合和涂覆设备中，并在世界各地的大型电池制造设施中得到验证。

    NanoGraf将利用新的资金扩大其硅石墨烯复合阳极材料的生产规模，并继续开发更多的材料平台。通过合作协议，NanoGraf将获得在日本的生产设施、扩大的全球分销渠道、50多项专利和两个研究机构。

    “我们的新公司NanoGraf公司体现了我们创造材料解决方案的愿景，这将改变电池行业。由于我们与JNC公司的合作伙伴关系，我们处于加速增长的有利地位，因为我们将我们的石墨烯包装技术商业化，用于从消费电子到电动汽车的各种应用。有了我们新的吨规模的工厂，我们可以向我们日益增长的客户群提供更大数量的材料。”-NanoGraf联合创始人兼首席执行官Samir Mayekar表示。

  • 原文来源：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=356955
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    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-10-26
    • 澳大利亚先进材料技术公司塔尔加资源公司（Talga Resources）公布了其在英国研发的石墨烯硅基锂离子电池阳极的初步测试结果，该结构是由英国政府提供资助的“Safevolt”项目的第一个成功结果。该项目由塔尔加牵头，与联盟合作伙伴庄信万丰（Johnson Matthey）、英国剑桥大学（University of Cambridge）以及制造业研究小组TWI共同开展。 在该项目中，塔尔加正研发一种高能量密度的石墨烯硅电池阳极产品，称为TalnodeTM-Si，比其他商用石墨阳极的能量密度明显更高。塔尔加董事总经理Mark Thompson表示，TalnodeTM-Si将满足日益增长的锂离子电池的需求，该电池具有更高容量，可增加电动汽车的续航里程，增长便携式电子设备的工作时间。 主要的锂离子电池制造商都通过在石墨阳极中增加硅含量来提高电池能量密度，但是硅的使用受到电池寿命和稳定性问题的阻碍。塔尔加的测试结果表明使用石墨烯的TalnodeTM-Si可在硅膨胀时保持其稳定性，从而在确保电池寿命的同时实现更高的能量密度。 最近，几家汽车制造商表示打算在下一代电池组中采用更高的能量-重量比，而电池阳极材料供应链的其他大型集团也已经将石墨中的硅技术用于生产氧化硅基石墨。例如，大众汽车公司估计，从2018年至2025年，其电池能量密度可增加25%，并且目标是在2020年在电池阳极中采用20%的硅。 容量更高的电池可通过延长电子设备运行时间或增加电动汽车的续航里程而使工业受益。此外，容量更高还能降低成本，因为增加的能量密度可减少整个电池组中的每单位能量（Kw/hr）成本。增加的电池容量对客户来说是一个非常重要的指标，特别对于中国客户来说，因为中国的新能源汽车的补贴与其电池能量密度相关，而且中国新能源汽车利润丰厚。 目前，塔尔加正在英国剑桥大学的麦克斯韦尔中心（Maxwell Centre）的电池材料工厂进一步测试和优化TalnodeTM-Si，正在准备该阳极的临时样本，以便根据保密的材料转让协议交付给亚洲的终端客户。
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  • 《起底广汽集团“石墨烯电池”真相》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2021-01-19
    • 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。 图2：石墨烯概念图。来源：百度百科 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。 03 可以谨慎乐观 我们之所以对广汽这一电池技术保持谨慎乐观，原因不止是在技术路径上存在差异化竞争窗口期，还在于它的相应自主核心技术确实拥有一定的技术优越性。 根据检索可知，广汽这一系列电池技术，研发已经铺陈4年以上。这从其相关发明专利申请时间可以回推——其核心专利申请至少可以追溯至2018年11月。 更重要的是，通过对其相关核心专利的观察可知，广汽这项电池技术并不是凭空出现，本身也是因循电池技术发展规律而来——主要的技术进步并不在于石墨烯或纳米硅等材料的引入，而是其“一核两壳”技术工艺。 所谓“一核两壳”工艺，具体来说是指其硅基复合负极材料结构，包括内核、第一壳层和第二壳层： ■内核包括硅碳复合材料(满足高克容量及高功率密度锂离子电池); ■第一壳层包括无定形碳层(用于提升导电性，约束内核的体积膨胀改善嵌锂的均匀性); ■第二壳层包括导电聚合物层(石墨烯所在之处，具有较好的韧性，充放电过程中避免无定形碳层开裂的现象，有利于形成稳定的固体电解质膜，进而提升材料的循环稳定性)。 实际上，目前阻碍硅系负极材料大规模产业化应用的核心技术难点，就在于当负极添加的硅系活性材料较多时，通常会因为约束性不够导致体积膨胀、碳层开裂，不足以形成稳定的固体电解质膜，使得电池经过超200次放电后性能迅速衰减至初始的70%以下。 而广汽这项“一核两壳”工艺，则在一定幅度上针对性的有效处置了这个问题(见下图)。 图4：广汽的“一核两壳”式硅基负极结构，可以有效对抗电池衰减。来源：专利文件 故而，至少从这项技术所测试并显示出的纸面技术指标上，我们可以对广汽“掺杂石墨烯的硅基负极锂电池”保持谨慎乐观。 04 广汽急什么? 本文最后，我们再来推测下，作为一家国企性质的整车公司，广汽为何会如此着急且高调地要在2021年元月，发布一项距离量产仍有较长时间(据官方称最晚将于今年四季度量产)的动力电池技术? 原因很可能来自竞品以及股价的压力： 实际上，上汽联合阿里此前发布得智己品牌汽车，同样号称将可实现1000公里NEDC续航。根据推测，该汽车电池涉及的技术路线同样是“硅基负极锂电池”。 广汽此番发声，很像是一种“主权示威”——我们的技术是基于自主研发的核心专利，竞品们或只能依赖宁德时代这样的电池厂商(当然，广汽的电池配套厂也是和宁德时代联合成立运营的)。 图5：广汽已联手宁德时代生产电池。来源：网络。 另外，作为中国老牌整车公司，过去一年多，新势力们各种“PPT技术”引发的股价狂飙，可能也为广汽提供了“参考样板”，既往通过对于技术的宣示，提振股价、做大市值——这本身也是一种政治正确与需求。 依据常识来说，相比于新势力们的造势，体制本身也决定了广汽集团不会也不敢完全脱离实际地向外界制造噱头。所以对于广汽此番的高调，我们相信背后还是有充分的现实准备的——而这，某种意义上也是我们对其“掺杂石墨烯的硅基负极锂电池”保持谨慎乐观的理由之一。 只不过无论如何，通过以上的揭示，我们可以基本确认广汽上周五对外发布的文案中关于“石墨烯电池”的说法确实是较为不准确的，存在误导市场之嫌。这也很大程度反映出当前电动车市场领域“虚火过剩”，很值得投资者警惕。 最后特别指出，本文涉及技术方面内容较多，难免谬误与疏漏。不足之处，敬请各位文后留言指出与讨论。
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