神秘的微量添加劑,「石墨烯」成鋰電池提升能量密度的利器

【我們為什麼挑選這篇文章】2014 年名為 Graphenano 的西班牙石墨烯創業公司與科爾瓦多大學合作,研究全球首個石墨烯聚合材料電池,用此電池的電動車最多能行駛 1,000 公里,充電時間甚至不到 8 分鐘;2017 年,三星宣布開發出採用石墨烯技術的電池,用此石墨烯技術的手機電池容量提升了 45%,甚至在 12 分鐘內就充滿電。

石墨烯電池真的那麼厲害嗎?有哪些迷思流言是你不知道的呢?(責任編輯:賴佩萱)

作者: 顏文群

自 21 世紀以降,世人最耳熟能詳、覺得最酷炫的神奇材料──石墨烯(Graphene)毋庸置疑堪稱第一人。若要細數石墨烯其背後物理學的涵義,除非你很閒,不然強烈建議不要沒事找事做。

我們尋常人可以這樣理解石墨烯:首先,石墨就像是義美夾心酥,由一層一層的餅乾疊了幾千幾萬層疊起來;而石墨烯,就是那一層一層的餅乾。差別只在於這層餅乾的厚度,僅僅為一個原子厚,你看都看不見。

想當然爾,這世界上一定會有某些科學家把腦筋動到這個材料上,近幾年,石墨烯的應用主要在電池和複合材料領域,我們今天就只談動力電池這個應用領域,也就是用在電動車上的石墨烯電池。

你真的認識它嗎?破解石墨烯電池的三大流言

石墨烯電池到底是黑科技還是炫技?答案是炫技的成分比較高。我們來從材料特性和技術的角度,破解三個關於石墨烯電池流傳已久的環保流言。

環保流言一:石墨烯電池是 21 世紀神奇材料、新材料之王,有了它現有動力電池的問題將一次解決

讓我們親手終結這個流言吧!因為所謂的石墨烯電池,仍然是以鋰離子當作儲存和傳遞能量的媒介,因此持平來說,石墨烯電池還是鋰電池。

前篇文章《如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命?》我們有提到,目前鋰電池根據正極材料的種類,大體上可以分成三大類:鈷酸鋰(LCO)、磷酸鐵鋰(LFP)與三元材料(NMC)。那麼石墨烯是哪一類?

石墨烯並非傳統定義上的正極材料,或是說並不取代現有的正極材料, 石墨烯其實是鋰電池的微量添加劑 。要知道,沒有上述的正極材料在儲鋰位與脫鋰位之間的化學位勢變化,空有鋰離子的遷移也沒有用,能量無法有效被儲存。

重複一次:微量添加劑。

實務上,因為正極材料通常是以粉體的方式存在,因此鋰電池製造商需把正極材料固定在基材(鋁箔),此時需要加入一些「膠水」才能讓這些粉體黏在基材而不會掉下來。好死不死,加入這些「膠水」後整個正極會變得不太導電,而不太導電的電池是無法有效率儲存電能的。

因此我們通常會添加一些助導劑,用以維持整個正極的導電度。傳統而言,我們使用導電碳黑等作為助導劑,石墨烯就是拿來 PK 這些傳統的導電碳黑,奈米碳管等其實也是,所以不是什麼材料之王,不過是很重要的配角。

環保流言二:石墨烯電池充電比加油還快,10 分鐘不到就可充飽電

其實無論哪種鋰電池都可以做所謂的快充放,什麼 3 分鐘、5 分鐘、10 分鐘充電,鋰電池也不會因此爆炸或是毀滅,大家都做得到,又不是只有石墨烯電池可以,問題是效能。

因為使用不同速率充放電,鋰電池的有效容量也會跟著改變。這跟電池內部的動力學有關。用大電流充放電,電池的容量就會往下掉。一般來說,從慢充(充電 10 小時,0.1 C 充電)變成快充(充電 6 分鐘,10 C 充電),容量大概會衰減 7~8 成,變成原來的 20~30%。

這時配角的價值就出來了!根據技術報告(註一)指出,石墨烯的添加可以有效提升充放電的效能。 添加少量的石墨烯,則容量可以維持原來慢充的 70~90%,相形之下可以用的容量確實大幅提升 !當然,要達到真正所謂的充飽(=100%),是不大可能如此理想,因為在最後的 5~10%,充電速度會異常地慢,實務上這段是恆壓充電段,一般我們稱之為涓流充電。你想的沒錯,就是涓涓細流的意思。這是目前所有電池的特性,因此無論是特斯拉還是保時捷宣稱的超快充,事實上都只會是在某一個充電區間(比如 20~60%)內才真的充得快。

環保流言三:石墨烯電池的續航力是一般鋰電池的 2~3 倍

你可能會以為 2~3 倍的意思是說例如一般鋰電池可以跑 500 公里,石墨烯電池可以跑 1,000 公里或 1,500 公里。錯了!電池容量都一樣,石墨烯不過就是微量添加劑,怎麼可能逆天呢?

上面說到, 如果大家都慢慢充,不管哪種電池,結果都是一樣的,但如果快充,添加少量的石墨烯,則容量可以維持原來慢充的 70~90%,充得比其他電池還飽 。翻成白話文的意思是,如果中間要充電,石墨烯充十分鐘走人就可以跑 100 公里,一般鋰電池充個十分鐘只能跑 30 公里,這樣說來,確實間接提升續航力的問題。

除此之外, 添加石墨烯也可以提升循環壽命,這可能跟石墨烯高熱導的散熱特性、穩定的化學性或是很強的機械性質安定了電池內部有關

要能稱作黑科技,沒有三兩三,怎敢上梁山?我們今天分析完之後,你就可以清楚知道三個重點:

  1. 石墨烯電池不是什麼黑科技,它是微量添加劑,屬於鋰電池系統的一部分,是個配角,但是個值得拿金馬獎的配角
  2. 石墨烯的使用在技術上確實可以顯著提升快充放電特性
  3. 添加石墨烯,不是直接讓電池兩倍效能,而是間接解決電動車續航力的問題

(註一)參考資料 Journal of Power Sources 240(2013)66-79

(本文經合作夥伴 綠學院 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈三分鐘帶你看懂石墨烯電池是黑科技還是炫技 〉。)

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