石墨烯電池續航力極高、充電又快,是21世紀新材料之王?專家點破石墨烯電池3大迷思

2019-07-01 11:43

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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。

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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。

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,0.1C充電)變成快充(充電6分鐘,10C充電),容量大概會衰減7~8成,變成原來的20~30%。

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