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石墨烯:21世纪黑黄金“蜕变之路”

2014-04-23 14:40:28 OFweek锂电网

石墨烯新技术有望大幅提升锂电池容量

一天不到就用完的锂电池是不少人在使用智能手机等电子产品时最大的烦恼。近日,在厦门大学发布的一种基于石墨烯技术的新型添加剂有望解决这一难题。

在当天举行的“石墨烯应用技术研讨会”上,美国蓝石科技与辉锐科技联合发布了这一最新合作成果。这种硅基高能负极材料添加剂可大幅度提升电池容量,且具有很高的稳定性。

锂电池广泛应用在手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴电子设备、电动汽车等众多产品中。正常使用下,一个2500毫安时的锂电池往往撑不过一天,因此业界一直在努力实现电池容量的突破,但锂电池的容量提升在目前已经遇到技术瓶颈。

研讨会上,美国蓝石科技首席执行官赖中平博士在其“大面积石墨烯制备及其在锂电池负极材料应用”的报告中介绍,石墨烯优异的导电性能可以提升电极材料的电导率,进而提升锂离子电池的充放电速度;石墨烯的二维层状结构可以有效抑制电极材料在充放电过程中因体积变化引起的材料粉化;石墨烯还能很好地改善锂电池的大电流充放电性能、循环稳定性和安全性。

他预计,新技术在短期内可实现锂离子电池20%的容量提升,在3-5年内达到容量提升50%的可能性非常大。

除了在容量上的大幅度提升,赖中平说,新技术还能成倍缩短充电时间,可使电动汽车一次充电行使500公里以上,推动电动汽车尽早进入家用。

研讨会由2010年诺贝尔物理学奖获得者康斯坦丁˙诺沃肖洛夫教授主讲。诺沃肖洛夫教授介绍了当前国际上最新的石墨烯应用研究进展,展望了未来石墨烯在电子信息、医药、光电等领域的应用前景。

蓝石科技是全球最早一批专业开展石墨烯技术研究的知名企业,拥有多项石墨烯研究领域专利。辉锐科技是一家国际领先的石墨烯应用开发公司,致力于推动石墨烯在产业和现实生活中的应用。

石墨烯助力动力锂电池 18分钟充满电

我们目前正在研究用以电动汽车的石墨烯电池,希望可以和重庆的相关企业合作。”来自意大利的费瑞博士介绍,意大利在纳米材料石墨烯的研究上很有优势,目前他们在将石墨烯和锂进行组合研发电动汽车电池,现在已经能够在18分钟内就将电池充满,一次充电可以跑600公里,而以前需要12个小时,下一步他们的目标是几秒钟。同时,意大利在制造业等领域也具有很多的优势,希望能结合重庆的发展,和重庆的企业一起合作。

来自意大利布朗多尼阀门有限公司北京分公司的亚太地区销售总监亚历山大,昨日一下飞机就赶到了对接会现场。他说他们公司有50多年的历史,2006年进入中国并投资建厂,以前想来重庆但没有渠道,这次意大利企业组团来重庆高交会,他特地赶了过来,希望能拓展中国西南地区的市场。

100吨石墨烯生产线河北投产

或许有一天,你会把触屏平板电脑三折两叠塞进口袋;用几秒钟将手机充满电,用上半个月不用再充;乘坐超轻型飞机,驾驶轻型汽车,甚至登上人类梦想的上万英里的太空电梯……

所有这些美妙梦想,都来源于一种特殊材料——石墨烯。

“石墨烯是一种以石墨为原料的纳米材料,它是迄今为止世界上已知材料中最轻、最薄、最硬的韧性材料,具有高导电、高强度、高导热、高比表面积等特点。”4月2日,长期关注石墨烯发展的唐山建华实业集团总裁孟英表示,这种超凡的新材料必将在电动汽车、电子信息等多个领域带来革命性变革,有望成为下一个万亿级的产业。

“我们率先研发出一种新的石墨烯制备方法,适用于低成本大批量规模生产。”自去年年底,建华实业在河北省投产首条年产50万克石墨烯生产线之后,目前一条年产100吨的生产线正在紧张组装中,将于5月底正式投产。对于这一令人期待的石墨烯量产技术新突破,孟英感到,它将为新型工业化发展带来巨大空间。

5小时到30分钟的颠覆

破解锂电池充电瓶颈,掀起电动汽车领域革命

充电仅需5小时便可行驶500公里,今年年初,特拉斯在国内的上市可谓是“冬天里的一把火”,掀起电动汽车领域的一场革命。

虽然电池技术向前迈出一大步,但仍存在跑上一会儿需要停下来充5小时电的尴尬,充电时间长依然是锂电池难以逾越的鸿沟。被视为汽车未来发展方向的电动汽车,因为无法解决这道瓶颈难题,多年来一直在推广道路上举步不前。

“这扇大门,将由石墨烯开启。”和很多业内专家一样,孟英非常看好石墨烯在能源领域的应用,公司的科研团队正在进行石墨烯基超级电容和电池的研发。石墨烯电池一旦问世,有望将电池容量增加1.5倍,充电时间缩短至几十分钟。使用石墨烯基超级电容替代电池,充放电时间最短甚至可以达到几秒钟。

“这也就意味着,以后给电动汽车充电比加油时间还短,这将为电动汽车领域带来一场颠覆性革命。”孟英表示,目前他们正在布局石墨烯基电容电池生产线,预计将于今年12月底正式投产。

在唐山建华实业集团生产基地,记者领略了石墨烯的“神奇”——虽然与石墨同出一源,却与我们平时所见的铅笔芯相差甚远,石墨烯微片更像是棉花一样的黑色絮状物,它薄如蝉翼、轻若鸿毛,仅仅180克就能盛满一个容量50升的白色塑料桶。

孟英解释说,石墨烯电池之所以充放电速度快、储能大,就是利用了石墨烯材料的高比表面积、高导电特性,石墨烯材料的导电性能是铜的10至100倍。传统锂电池如果快速充放电,必然导致电流增大,而电流过大会引起电池发热而缩短使用寿命,甚至引发爆炸。利用石墨烯的特性将其添加到锂电池的正负极材料中,有望解决这一弊端。

孟英解释说,锂电池的工作过程,就是锂离子从正极到负极往返摆动的过程。把石墨烯添加到正极材料中,可以提高正极材料的导电能力,增加电池的放电倍率,加快电池的充放电速度。把石墨烯添加到负极材料中,则可以提高容纳锂离子的能力,增加储电容量。

“石墨烯的轰动,是因为它创造了诸多纪录,石墨烯一系列神秘的特殊性让人们对它的应用充满幻想。”孟英这样描述,石墨烯还是世上最薄、强度最高的材料,它只有0.34纳米厚,二十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径。它比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢材还要高上100倍。该材料几乎完全透光,透光率在97%以上,有望被用于制造新一代高性能电子学器件。

目前,该公司近四十人的团队正在致力于石墨烯下游产业链的开发及应用,同时开发的产品有十几种。据介绍,石墨烯在电子、航天、军工、新能源、新材料等领域有着无比广阔的应用潜力:凭借石墨烯优良的电学性能,它将是最具潜力取代硅制作超微型晶体管的新型材料,未来计算机的运行速度有望提高10至100倍;其轻盈坚韧的特性,又是制作超轻防弹衣、超轻飞机材料的首选;利用纳米技术还可以把石墨烯制成一种DNA感测器,用来探测DNA链的旋转和位置结构,为基因组测序技术开辟一条新路径;石墨烯还可以制成抗菌材料,在杀菌的同时不损伤细胞。

1克到500吨的突破

石墨片剥离出石墨烯微片,打败产业化拦路虎

今年3月初首次到广东与一家电池企业洽谈合作,孟英仅凭一桶180克的石墨烯微片样品,不费吹灰之力就敲开了合作的大门。看到这桶样品,广东方面负责人当时就“惊呆了”,没等孟英开口介绍就主动要求开展合作。

“与实验室以1克为计量单位相比,这一桶样品无疑是天文数字,具备大规模生产能力是促成双方合作的最重要因素。”孟英认为,“高质量、低成本宏量生产工艺是当前石墨烯实现产业化、进入应用领域的关键。”

目前,建华实业集团石墨烯年产量达到50万克,年产100吨的石墨烯生产线也将于5月底投产,各种性能在同行产品中名列前茅。同时,该公司二期年产500吨的生产线已完成了生产工艺设计工作,正在筹划年底前在曹妃甸开工建设。

那么,石墨怎么才能变成石墨烯?“由于石墨片层与层之间作用力较弱,我们常见的石墨烯大部分都是由石墨片剥离而成。”孟英介绍说,用胶带黏出石墨烯的办法显然不适合工业化生产。目前业界主要有化学气相沉积法、氧化还原法、热解碳化硅法等石墨烯批量制备技术,但全球只有少数几家企业可以进行工业化生产。

从2009年开始知道石墨烯至今,孟英一直在试图找出已有制备技术不能量产的原因。经过几年研究,他的团队在氧化还原法的基础上独辟蹊径,对已有制备技术进行了变革,设计了具有自主知识产权的生产工艺和装备,使大规模生产成为现实。

他拿来一摞A4纸边打比方边介绍说:“石墨块就像这摞纸一样具有层状结构,经过以前的处理方法,能将纸与纸之间的距离拉大,但每张纸还会与上下层的纸紧挨在一起,难以从一摞纸中剥离开。这样有的几张挨在一起,有的十几张挨在一起,形成5层以下微片的几率很小。”

找到了根源,问题便迎刃而解。“关键就是让每一张纸从纸摞中均匀分散开。”孟英打比方说,如果原来是用小刀切的方式,那么新的工艺更像是在每一张纸之间安放了“炸药”,所有“炸药”会在同一时间共同发挥作用,这样一摞纸就会均匀炸成一张张分散的纸片。

“炸开后的纸片如果挨得太近,还会重新团聚在一起,这样就会前功尽弃。”孟英介绍说,这个难题可以通过化学和物理方法解决,让每一张小纸片失去团聚性能,成为一个个独立的个体,即使挨得再近也无法重新团聚起来。

对此,孟英感触良深:“听起来道理似乎很简单,为了实现产量从1克到500吨的突破,五年时间里我们光制备工艺就更新了八代。想要达到更好的分层效果,每一步工艺路线涉及的材料选定和设备定型都会像神农尝百草一样试验成百上千次。”

800元到25元的缩减

从黄金价降到白菜价,依然保有黄金品质

“我们要做的就是努力使石墨烯从黄金价降到白菜价,但依然保有黄金的品质。”孟英表示,只有将生产成本降低,才能使石墨烯更广泛地应用到各个领域中,否则石墨烯将无法实现产业化应用。“比如石墨烯电池效果确实很好,但如果价格是锂电池的几十倍,即便性能再优异又有谁会去选择购买?”

“5月底年产100吨生产线建成以后,我们生产的石墨烯微片成本将降到1克25元钱,远远低于每克800元的市场价。”孟英认为,成本的大幅降低,将会使石墨烯具备参与市场竞争的成本优势。

石墨烯的成本怎样才能降低?“降低成本主要通过技术改进来实现。”孟英介绍说,想要达到上百吨的年产量,只要一条生产线就能实现,而按照原来的技术光设备就要几万台,仅这一项就要投入几十亿资金,设备折旧、人员工资等费用则更不用说。此外,用几百块钱的原料替代上万块钱的,原料筛选也为降低成本发挥着重要作用,

他以特斯拉电动汽车使用的18650电池为例介绍说,以每克石墨烯25元计算,每块电池需要1.2克左右石墨烯,费用为30元钱,这和普通锂电池价格相差不是太大。但石墨烯电池的寿命为1万次,是传统电池的10倍,10块传统电池才能抵1块石墨烯电池的使用寿命,照此计算石墨烯电池的价格反而更低。

“25元钱还远未达到成本极限,随着研发深度的增加以及制备工艺的改进,成本将越来越低,我们的目标是1克几元钱甚至更低。”孟英对此有着清醒的认识,石墨烯价格越低需求量就越大,需求量的加大还会促进产业规模的扩大,这是一个良性循环。

“降低成本的同时,还要保证石墨烯的品质,这样石墨烯材料才会更有价值。”孟英解释说,比表面积大小是评价石墨烯产品质量好坏的重要标准,石墨烯比表面积越大,单层率越高,品质越好。

石墨烯品质的不稳定,还会影响到下游产业链产品的性能稳定。孟英举例说,“比如不同批次石墨烯比表面积相差较大,如果制作成石墨烯电池,那么有的容量是普通锂电池的1.1倍,有的是1.3倍,还有的甚至更多,在应用时就会影响电动汽车性能。”

“通过我们的技术生产的石墨烯初级产品,比表面积稳定在每克550平方米左右,中试结果最高时可达到1000平方米左右。”据孟英介绍,通过控制原料品质和生产工艺,该公司生产的石墨烯层数稳定保持在5层以下。

金路集团:正在质变的石墨烯龙头

虽然实际控制人发生了重大变化,但金路集团却得到了市场的追捧。短短两个月时间,金路集团已经从最低点上涨了近5成。

金路集团股价的上涨与其正在进行的技术投资不无关系。

早在2013年12月中下旬,《超快长循环寿命锂硫电池:基于石墨烯的三明治结构》的论文在中科院各地或全国材料类网站上被广泛转载。

据悉,中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室的成会明课题组论文《超快长循环寿命锂硫电池:基于石墨烯的三明治结构》发表,该论文主要讲的是高容量、长循环寿命、低成本及环境友好的新型石墨烯锂硫(Li-S)电池的研发。这一研发取得锂电池技术的革命性突破。

受益于技术革命

该项科研成果取得突破的主要有四点:

一是该电池理论比能量为2567 Wh/kg,目前常用锂电池能量密度约140Wh/kg,因此新型锂硫电池的储电能力是目前锂电池的18倍以上。相当于将比亚迪E6电动汽车700kg电池,缩小约95%或只需要35kg以下。

二是该电池一次充电多在6分钟以内可以完成。

三是其循环次数及电池寿命高于目前锂电池百倍,电池寿命超过30年。

四是使用该电池的电动汽车使用成本,约相当于燃油汽车的20%。

毋庸置疑,中科院金属研究所研发的该项目与金路集团高度相关。

2014年3月12日晚,金路集团发布公告称,公司与金属所前期的合作,主要包括石墨烯散热材料、石墨烯功能涂层、石墨烯复合材料的制备技术与应用技术研发,石墨烯材料在电池中的应用技术研发,石墨烯三维网络材料应用技术研发等;2014年年度研发计划包括:石墨烯在锂离子电池、锂硫电池、导电油墨以及防腐涂层中的应用研发。

很多投资者对这个事件没有判断,对如何定性分析这个事件没有概念。为此,笔者将对这个事件的发生进行独立的定性分析。

笔者做投资21年,对金路集团还是比较熟悉的。但是说实话,前20年我基本没有关注过这只股票。近期也只是因为中科院金属所有这项科研究成果才引起了笔者关注和仔细研究,深度研究则让笔者越发感觉金路集团或将成为典型的质变股。

电池原材料的供应商

要对金路集团的质变进行定性分析,首先要对中科院金属所的科研成果进行定性分析,然后再对金路集团和中科院金属所锂硫电池科研成果的关系进行分析。只有当这些东西都搞清楚了之后,我们才能明白金路集团到底该如何定位。

首先,中科院金属所锂硫电池科研成果技术突破的定性分析。

中科院金属所锂硫电池科研成果所取得的技术突破,可以说是革命性的。四项突破中,最具有价值的是充电时间缩短到6分钟以内。因为充电时间才是制约新能源汽车能否广泛应用的关键。大家试着想一想,如果一辆汽车充电需要几个小时,哪怕是一两个小时,假设我们国家每年的新能源汽车销售量达到500万辆以上,保有量超过3000万辆或5000万辆,那会出现一个什么情况呢?到处都是充电站或充电桩,因为充电时间长,每个司机都恨不得在自家停车位处建一个充电桩。而按照我们国家对用电的管理政策和手段,根本就达不到这点。正因为不可能让满大街的汽车都停在那里充电,因此,制约新能源汽车大规模推广的因素,首要的就在于充电时间。当充电时间降到6分钟以内时,新能源汽车就可以大规模推广了。

至于电池重量大幅度下降、使用寿命超过30年、降低运行成本等,这些成果也很重要,但它们只是经济因素,而不是革命性的技术突破。

这个判断做出以后,我们相信锂电池的革命由于此项技术即将在中国诞生,新能源汽车大规模推广的革命性的电池技术即将出现。

其次,金路集团和中科院金属所锂硫电池科研成果的关系也值得深思。

金路集团3月12日的公告表明,中科院的这项革命性技术,并不是金路集团和中科院金属所共有,而是中科院金属所自己独有。但是金路集团与金属所前期的合作,简单地说,即石墨烯材料在电池及电池以外的应用科研成果,金路集团拥有50%的股权比例。此外,2014年,金路集团和中科院金属所将会合作研发石墨烯在锂离子电池、锂硫电池、导电油墨以及防腐涂层中的应用事项,这些成果金路集团拥有50%的股权。

换句话说,中科院革命性锂硫电池中使用的相关石墨烯材料等,只要是双方合作研究成果的,肯定使用金路集团与中科院金属所共同研制的材料;两家研究成果所制成的其他产品,还可以使用到锂硫电池以外的领域,或者卖给社会上其他需求者。这些共同的收益,金路集团占到50%。

石墨烯先行者

最后需要考虑的问题是,一项技术的突破能否让金路集团成为质变型的公司?

金路集团3月12日晚的公告,具体讲清楚了公司与中科院金属所革命性锂电池的关系,以及他们在锂电池、锂硫电池等材料方面的合作关系。这个公告,可以让市场给金路集团做出正确的定性。就是说,如果金路集团拥有中科院金属所锂硫电池革命性技术50%的所有权,那么金路集团的定位应该是锂电池股;如果没有这个所有权,那么它的定位应该是石墨烯龙头股。

从目前来看,可以判断金路集团至少将有望成为石墨烯板块的龙头公司。

因为这个公告改变不了如下事实:

第一, 改变不了中科院金属所锂硫电池研发的革命性技术突破的事实。

第二,让市场更加看清楚了,在中科院金属所制备锂硫电池过程中,包括石墨烯在内的一些材料,只要双方合作中有的,中科院金属所肯定使用双方合作的材料。

因此,我们对金路集团的定性为,以后至少是中科院金属所革命性的锂硫电池生产材料提供商。金路集团因为和中科院金属所的合作,背靠中科院金属所的革命性技术,未来将转型成为石墨烯行业龙头。

同时,我们认为,中科院金属所未来进行锂硫电池中试和产业化推进过程中,金路集团因为前期的合作项目,极容易成为第二大股东,参股该项目。

最后需要说两点的是,中科院金属所的锂硫电池,还只是在实验室里制备出来的样品,离中试、产业化还有一段漫长的路程要走。这个必须要注意。还有,金路集团对投资者的回答如下:“锂硫电池为金属所前期独立研发的成果;后续双方在石墨烯材料及其应用技术与产业化技术研发方面的合作,包含石墨烯材料在电池中的应用技术研发;在后续合作期间产生的所有与石墨烯相关的知识产权和技术成果归双方共有;如果后续合作期间开发的技术由于金属所前期已申请专利而不能申请专利,金属所承诺其前期申请的与此相关的专利和技术成果归双方共有。”这最后的承诺,给了市场更多的想象空间。




责任编辑: 中国能源网

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