日前,新華社發(fā)布了一條讓電動(dòng)車廠商倍感興奮的消息,該消息稱:“中科院上海硅酸鹽所科學(xué)家成功研制出一種高性能超級(jí)電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯。”并表示,”該材料具有極佳的電化學(xué)儲(chǔ)能特性,可用作電動(dòng)車的‘超強(qiáng)電池’:充電只需7秒鐘,即可續(xù)航35公里。”據(jù)悉,相關(guān)研究成果已于18日發(fā)表在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《science》上。聽上去很厲害的樣子,不過(guò)先別急著激動(dòng),關(guān)于這個(gè)新材料及應(yīng)用,這里還有幾件事,你或許需要知道。
超級(jí)電容可以帶我們飛了?
所謂的超級(jí)電容器,據(jù)新華網(wǎng)介紹:“是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。由于具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠等特點(diǎn),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于混合電動(dòng)汽車、大功率輸出設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。”等等,既然這么厲害?為何隨手一搜,大部分的電動(dòng)汽車主要采用的還是電池呢?比如特斯拉的鋰電池(大部分都是)、豐田Prius的鎳氫電池等。原因在于超級(jí)電容的能量密度太低了。能量密度低,就意味著滿足實(shí)際需求的電容體積會(huì)非常大。而正如報(bào)道所說(shuō),找到理想的材料,使得超級(jí)電容器兼具高功能、高能量,一直是科學(xué)家們努力的方向。
據(jù)science上文章顯示,此番研究出的新材料,在能量密度上能達(dá)到鉛酸電池的41wh/kg同時(shí)功能性又不錯(cuò),的確是不小的一個(gè)進(jìn)步了。不過(guò)就實(shí)用性而言,以特斯拉為例,目前的特斯拉Model S采用的是來(lái)自松下的18650電池,其能量密度為233wh/kg,而一輛特斯拉Model S上電池,重達(dá)900公斤,掐指一算,背著5000多公斤的電池跑起來(lái),感覺(jué)似乎還是沒(méi)有那么美好。事實(shí)上,現(xiàn)在的超級(jí)電容在電動(dòng)汽車中,都是作為電池的從屬,起輔助作用。而秒充這件事,其實(shí)快充快放,一直就是超級(jí)電容的一大優(yōu)勢(shì)所在,然而能量密度的問(wèn)題若不能得到解決,一切就只不過(guò)聽上去很美好。
值得一提的是,在science的文章中,并不能找到“充電只需7秒鐘,即可續(xù)航35公里”的相關(guān)數(shù)據(jù),不知這一信息從何而來(lái)。
石墨烯?還是類石墨烯碳材料?
新華網(wǎng)文章中將上海硅酸鹽所研發(fā)的這一新材料稱之為“氮摻雜有序介孔石墨烯”,然而事實(shí)上,《science》的文章中,并沒(méi)有表示自己使用的是石墨烯,更適當(dāng)?shù)谋硎龌蛟S是類石墨烯介孔氮材料。
事實(shí)上,近年來(lái),類似的報(bào)道頗多,什么“新一代超級(jí)電容 幾分鐘充滿可跑500公里”,知乎上也有不少“如何評(píng)價(jià)‘某某研發(fā)出一分鐘充滿電新電池!’這一新聞? ”每次相關(guān)研究已出,總是新聞帶動(dòng)起業(yè)內(nèi)相關(guān)人士的一陣興奮,但是,從研發(fā)到實(shí)際生產(chǎn)使用的距離有多遠(yuǎn)?知乎上一名同學(xué)就此次新材料所作的回答或值得思考。下文摘自知乎答主:清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院副研究員,劉冠偉博士(知乎ID 弗雷劉)。
實(shí)驗(yàn)室中的性能突破,但說(shuō)工業(yè)化還為時(shí)尚早
本文在炭基材料超級(jí)電容器上,通過(guò)摻氮,使得有序介孔炭材料具有了電化學(xué)活性,具有贗電容的工作能力,而且在能量密度上達(dá)到了鉛酸電池的41Wh/kg,功率更是保持了超級(jí)電容中一貫的優(yōu)勢(shì)。文章中詳細(xì)的表征了該材料的電化學(xué)性能,在不同種電解液中的工作能力,反應(yīng)機(jī)理等等,此處我也不一一詳解了,總之,說(shuō)它在超級(jí)電容領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了突破,是不夸張的。
但是說(shuō)它想要實(shí)用化呢?我這里有幾個(gè)問(wèn)題。
(1)成本
文章中使用的制備工藝1是典型的模板法:
用SiO2模板,然后CVD用CH4和NH3做碳氮源,長(zhǎng)出材料,再用氫氟酸腐蝕掉模板,得到材料,不僅如此,之后還要用濃硝酸處理,提高氮含量。
你知道這套工藝量產(chǎn)材料有多貴么?你知道這套工藝量產(chǎn)材料有多貴么?你知道這套工藝量產(chǎn)材料有多貴么?重要的事情要說(shuō)三遍。
實(shí)際上,SiO2模板來(lái)產(chǎn)材料,產(chǎn)率一定不高,模板制備就有一定成本。然后CVD制備材料,如果你的材料是論重量而不是論面積來(lái)生產(chǎn),那成本一定妥妥的是醉了的節(jié)奏;之后還要用劇毒的氫氟酸來(lái)腐蝕,危險(xiǎn)的東西防護(hù)成本有多高大家想想,最后還有個(gè)濃硝酸處理,嗯……環(huán)評(píng)過(guò)起來(lái)一定很困難。
在這套技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室里很普遍,做研究沒(méi)有問(wèn)題,但如果非說(shuō)它明天就實(shí)用化,嗯,做夢(mèng)呢……
當(dāng)然了,本文作者也說(shuō)了他們還采用了相對(duì)更為經(jīng)濟(jì)(inexpensive)的工藝,大概就是不用模板了,直接做溶膠凝膠,然后再CVD合成。
問(wèn)題還是:溶膠凝膠對(duì)于工業(yè)也不是什么便宜貨,然后還是用CVD.....反正你成本上就是沒(méi)競(jìng)爭(zhēng)力。
說(shuō)到這里,很多人可能不服氣,說(shuō)筆者吃不到葡萄說(shuō)葡萄酸,成本問(wèn)題隨著技術(shù)發(fā)展是可以解決的。但是我想說(shuō)的是,關(guān)鍵還是要看你的新技術(shù)要取代的舊體系是什么:如果是一個(gè)原有技術(shù)昂貴,那你的技術(shù)貴一點(diǎn)是比較好說(shuō)的;但是如果取代的是現(xiàn)有的大規(guī)模生產(chǎn)的非常便宜的東西(這些各種碳系材料),即使你的新產(chǎn)品性能真的有飛躍,先老老實(shí)實(shí)算算經(jīng)濟(jì)賬,然后再行動(dòng)研發(fā)投資擴(kuò)產(chǎn)什么的,也是絕對(duì)不是坑人的。
(2)電極制備工藝
該文使用的工藝是把活性材料與可壓縮的石墨烯泡沫(做集流體)擠壓在一起,沒(méi)加添加劑,制成的極片。
可見使用的并不是傳統(tǒng)的金屬集流體。實(shí)際上,3D石墨烯泡沫具有很大的比表面積,以及相應(yīng)帶來(lái)的良好的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),用這樣的集流體會(huì)給材料的性能帶來(lái)很多加成,在這方面中科院金屬所成會(huì)明院士組有不少工作可以參考。因此這里的一大問(wèn)題就是:為什么不用傳統(tǒng)的集流體,而是使用了石墨烯泡沫來(lái)測(cè)試該材料的電性能?如果用傳統(tǒng)集流體,測(cè)出的性能會(huì)不會(huì)更具有參考比較價(jià)值?
(3)整體定位
充電7秒續(xù)航35公里, 中科院石墨烯電池新材料真能帶飛電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)?
雖然我們的記者朋友已經(jīng)為該材料定了一個(gè)“充7秒跑35公里”的性,但是我覺(jué)得我們應(yīng)該看看作者對(duì)于自己工作的展望。對(duì)于超級(jí)電容方面的應(yīng)用,該作者意味深長(zhǎng)地用了一個(gè)詞,叫potentially可以和電池來(lái)競(jìng)爭(zhēng)。所以作者也沒(méi)說(shuō)它一定要和電池短兵相接嘛,先做好電容領(lǐng)域中的老大其實(shí)是比較實(shí)際的。而且最后這個(gè)可以與鉛酸、鎳氫匹敵的評(píng)價(jià)后,最后談到鋰離子,作者非常客觀的用了一個(gè)詞: 也許。
至少我們可以這么認(rèn)為,如果它想去取代鋰離子,難度比前幾種要大的多。所以其實(shí)作者對(duì)于該電容的定位其實(shí)非常清晰。
(4)科研VS工業(yè)
其它幾位朋友在這里也說(shuō)了,實(shí)驗(yàn)室里做出來(lái)的東西往往要花很久才能工業(yè)化,而有些技術(shù)甚至受至于技術(shù)路線等因素,永遠(yuǎn)不可能工業(yè)化都沒(méi)準(zhǔn)。我從來(lái)不認(rèn)為科研不重要,但是我覺(jué)得國(guó)家應(yīng)該加大力度扶持那些可以中試化,有產(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù),這才是工業(yè)升級(jí),做強(qiáng)中國(guó)制造的正路,因此我也很期待該項(xiàng)技術(shù)可以早些中試化,能夠大批量做出高一致性、可靠性、成本和性能具有一定競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。
因此一切的一切將如何發(fā)展,讓我們拭目以待吧。
PS:充電7秒鐘跑35公里,我是感覺(jué)這個(gè)數(shù)字算的很有趣,還是7的位數(shù)呢……好的,折合一秒鐘跑5公里,如果是一般的家用電動(dòng)轎車,一度電跑7~8公里,咱就按10公里算吧,1秒鐘充電得要0.5度,1kWh=3600kWs 也就是功率達(dá)到1800kW,嗯,不燒了才怪……
總結(jié)一下就是,此次中科院的新材料確實(shí)有著重大突破,但是從實(shí)驗(yàn)室到工廠到市場(chǎng)還有很遠(yuǎn)的路要走。
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