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帖子主题:科工力量:石墨烯电池“蠢蠢欲动”,华为P40 Pro戳中神经

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科工力量:石墨烯电池“蠢蠢欲动”,华为P40 Pro戳中神经

“石墨烯电池”的概念可谓炙手可热。日前,华为新机型P40 Pro被华为法国官方推特曝出将采用“石墨烯电池”,国内石墨烯概念股随即纷纷大涨。据不完全统计,在华为公司证实其为“假消息”之前,石墨烯板块次日大涨逾100亿市值。

科工力量:石墨烯电池“蠢蠢欲动”,华为P40 Pro戳中神经
资料显示,石墨烯是目前世界上最薄、最坚硬、电阻最小的纳米材料,具有高导电性、高强度、超轻薄等特性,曾被称为具有革命性的“新材料之王”。同时,随着更高速率和功耗的5G手机开始普及,“石墨烯电池”也一度被视为“电池救星”。

近年来,华为、三星等企业都曾大力投入“石墨烯电池”的研发,但目前技术进步及商用相对有限。“石墨烯电池”并不是整个电池都用石墨烯材料制作,而是在电池的电极使用石墨烯材料。这将提升电池的效率和使用寿命,但难以对锂电池技术造成颠覆。

然而,整体而言,当前我国石墨烯产业已处于世界领先地位。现在国内已注册的与石墨烯产业相关的企业、研发机构近2万家,从业人员数百万人。我国关于石墨烯的专利申请量、论文发表量在全球也是总量第一。在技术研发及规模商用探索上,石墨烯行业未来可期。

石墨烯到底是什么

石墨烯,顾名思义,就是非常“稀”的石墨。狭义上来说,石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体,只有一个碳原子厚度的二维材料。广义上而言,10层以内的石墨结构也可以称作石墨烯。

石墨是由石墨烯一层层叠加构成。一块高定向热解石墨,用特殊胶带粘住,一层一层撕到只有1层碳原子的厚度,这时得到的东西就是石墨烯。不过,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯,难以剥离出单层结构。

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物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫
2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验时从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得 2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯电池能够在最高60摄氏度下保持稳定,稳定且简单的物理结构,让这种材料能够应付更为严苛的环境。同时,石墨烯结合了二维结构和碳元素物质的优良特性,也是目前发现的最薄、强度最大、电阻率最小、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。

比如,其导热系数高达5300 W/m·K,高于碳纳米管和金刚石;常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高;而电阻率只约10-6 Ω·cm,比铜或银更低。同时它几乎是完全透明的,只吸收 2.3% 的光。

由此,石墨烯被称为“黑金”或“新材料之王”,被期待用来发展新一代电子元件或晶体管。部分科学家甚至预言石墨烯将彻底改变21世纪,极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

华为创始人任正非也曾表示,未来10到20年内会爆发一场技术革命,将来最大的颠覆事件是石墨烯时代取代硅时代。对于为何如此看好石墨烯,任正非的解释是,芯片有极限宽度,硅的极限是7纳米,已经临近边界,而石墨已经开始触及技术革命前沿。

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据悉,凭借着多方面的优良特性,石墨烯的用途也非常广泛,可以被应用于锂离子电池电极材料、薄膜晶体管、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏等方面。应用领域包括移动设备、航空航天、新能源电池以及化工行业的涂料、吸附、淡化等。

“石墨烯电池”往事

电池是石墨烯主要的用途之一。“石墨烯电池”已被智能手机行业内视为是下一个电池技术的突破和革新方向。当前,手机厂商在锂电池里添加石墨烯,石墨烯的微孔结构可以存储锂离子,将电池容量、充电速度、散热和寿命等有效提升。

华为对“石墨烯电池”技术的研发由来已久。早在2015年10月23日,华为就对外宣布与曼彻斯特大学合作研究石墨烯的应用。该项目合作期初定为两年,研究如何将石墨烯领域的突破性成果应用于消费电子产品和移动通信设备。

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华为石墨烯电池技术
2015年11月13日,华为瓦特实验室在第56届日本电池大会上展示了5分钟即可充满3000mAh电池48%电量的快充技术成果。华为介绍,这款快充电池最大的突破是采用新型分子结构的负极材料,其中有石墨分子结构。于是当年盛传Mate 8将使用石墨烯电池,但实际并未如此。

次年,华为实现了将研发成果落地。2016年12月5日,华为瓦特实验室在第57届日本电池大会上宣布推出业界首个高温长寿命“石墨烯基锂离子电池”,以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高10℃,使用寿命是普通锂离子电池的2倍。

不过,“石墨烯基锂离子电池”主要用于通信基站。华为当时称,在炎热地区使用石墨烯助力的高温锂离子电池的外挂基站工作寿命可达4年以上,将给通信基站的储能业务带来革新。此外,它也将助力电动车在高温环境下持久续航,以及无人机高温发热下的安全飞行。然而,这项技术与手机电池并无关系。

2018年10月16日,华为发布Mate 20系列手机。其中,经过数年时间研发,Mate 20 X配备的电池创造性地采用石墨烯+液冷散热组合系统,将芯片传导到后壳的热量均摊给整个背壳以达到整机均温散热的目的。这也是石墨烯技术自问世以来首次在智能手机上得到应用。

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三星科学家展示石墨烯模型
值得一提,2017 年11月,三星电子表示,其研究机构三星先进技术研究院(SAIT)成功合成了“石墨烯球”,可将电池容量提高45%,只需要12分钟即可充满电,是现有标准的五倍。三星把这一研究发布到了英国《自然通讯》杂志上,但并没有应用在当时坊间疯传的Galaxy S9手机上。
据悉,三星先进技术研究院于2018年底已完成制造“石墨烯电池”样品,并在韩国和美国进行了专利申请。另据有关爆料称,三星预计最快在今年或是2021年推出一款革命性手机,其所搭载的就是石墨烯技术。

行业技术、商用待突破

目前,石墨烯应用在电池上,主要有两个方向,一是导电剂,二是做电极嵌锂材料。不过,无论是做导电剂、电极嵌锂材料,还是在锂离子电池中加入石墨烯辅助散热,这些“石墨烯电池”的充放电过程是通过锂离子的迁移来实现,本质上依旧是锂离子电池。

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由此,石墨烯电池相关技术在实际应用中提升较为有限,“石墨烯电池”尚未能完全正名,并非像网络流传的那样是对锂离子电池的颠覆。但是,以技术水平来看,添加了石墨烯的锂电池已经达到了当前的研发及商用“极限”。

相比锂电池,“石墨烯电池”安全性大大提高,能量密度更高、占用空间更小、散热性更好等,不会因为温度升高而出现传统锂电池的发热、发烫、起火问题。智能手机电池技术的下一次革新,极大的希望被认为就在于石墨烯技术的应用。

值得一提,期待石墨烯电池的还有被续航里程困扰的新能源车企等。2014年,西班牙石墨烯创业公司Graphenano与科尔瓦多大学合作研究出全球首个石墨烯聚合材料电池。装配该电池的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。但目前仍未有“石墨烯电池”车出现。

实际上,石墨烯电池的技术研发及商用还面临一些列问题。首先,石墨烯电池技术要从实验阶段到量产阶段,制备成本也一直居高不下。此前石墨烯价格高达5000元/克,比黄金还贵10几倍。目前,高纯石墨烯每克仍在1000元以上,高导电石墨烯价格在每克600元左右。

其次,石墨烯表面积过大,会对现有锂离子电池的分散均浆等工序带来一大堆工艺问题。国内还没有能够实现石墨批量化生产的企业或研究机构,多数企业只能小量生产石墨烯,所使用的生产技术多为氧化还原法,生产出的石墨烯溶液也存在很多技术上需要突破的问题。

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图为 IBM 石墨烯芯片
另外,澳大利亚皇家墨尔本理工大学研究团队在《自然通讯》期刊发布的报告显示,他们利用最先进的扫描透射电子显微镜对市面上的商用级石墨烯样品进行了原子级别的详细检查,发现其中的硅污染程度很高,而这对石墨稀的性能表现有很大影响。

值得注意,目前没有一个“标准等级”也是石墨烯面临的问题,因为没有标准去评判所产出的石墨烯究竟是否合格。由于石墨烯只有一层原子,特别容易受到表面污染的影响,而硅污染让石墨烯性能表现不够稳定,因而很难建立起一种工业标准来规范石墨烯的性能指标。

当前石墨烯技术还处在萌芽阶段。整个产业的启动,也基本上是从2010年石墨烯发明者获得了诺贝尔奖之后开始。正常来说,一项新技术会遵循科研——供应链——产品这样的流程。目前来看,石墨烯技术在科研这一层,还尚未取得能够大规模落地的成果,行业技术、商用等还待突破。

中国石墨烯发展怎样?

尽管石墨烯电池技术要从实验阶段到量产阶段依然面临着成本高、技术工艺等问题,而且采用石墨烯技术材料的智能手机仍没有达到理想效果,但有机构预测,随着石墨烯制备技术进一步推动规模化应用,5年至10年内市场将进入高速发展期。

5G将是推动石墨烯电池行业加速成熟的一个重要原因。目前,中国市场上的5G手机已超过20种,未来将会更多。相对而言,5G手机拥有更高速率以及更大功耗等。石墨烯对电池容量的提升、散热能力的升级,成为5G手机设计的重点。

除了手机电池之外,石墨烯技术在较多领域也有着市场前景。《2018—2019中国石墨烯发展年度报告》的数据显示,我国石墨烯产业化进程提速,产业前景广阔,在复合材料、大健康、储能、电子信息等多个领域的应用逐步拓展。

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目前,我国石墨烯产业规模已处于世界领先地位。据前瞻产业研究院发布的《石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》最新统计数据显示,预计2019年中国石墨烯市场规模将达560亿元,2022年中国石墨烯市场规模将达到2365亿元。

据不完全统计,现在国内已注册的与石墨烯产业相关的企业、研发机构近2万家,从业人员数百万人,并且都在不断增加。同时,我国关于石墨烯的专利申请量、论文发表量在全球位居总量第一。我国石墨烯产能及应用成果,在全球也属于第一方阵。

基于此,石墨烯技术概念在国内曾一度火热。但随着市场对石墨烯的认识不断深入,石墨烯产业尚处于产业化突破前期、不具备大规模工业化生产能力逐渐成为共识。2018年与石墨烯相关的企业股票也都表现欠佳,资本的热度开始减退,投资市场对石墨烯的认识趋于冷静。

不过,由于石墨烯技术被寄予厚望,相关概念股实际也随着形势“蠢蠢欲动”。2019年2月,三星被传出将在2020年发布“石墨烯电池”手机,此后 A股石墨烯板块在两个多月时间累计涨幅近50%;12月24日,华为的P40 Pro“乌龙消息”,则让石墨烯板块总市值全天上涨逾180亿元。

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据悉,当前A股中共有50余股涉及石墨烯概念,与电池研发生产直接相关的有十余只。其中,德尔未来2019年定增募资20亿元投向含石墨烯超级电池项目以及含石墨烯超级电池材料项目;道氏技术子公司的主要产品为针对动力锂离子电池用的石墨烯导电剂、碳纳米管导电剂和石墨负极产品等。

可以说,石墨烯是一个全新的行业,需要时间的沉淀。其在成本控制和实用技术领域等方面还需要重大突破才可能最终应用于电子设备。而随着低成本、高性能、规模化应用技术的突破,产业化应用从低端走到高端,从小规模走到大规模,石墨烯行业未来同样可期。

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      2020/1/17 20:18:49

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