寧德時(shí)代、南都電源、贛鋒鋰業(yè)等巨頭的陸續(xù)下場(chǎng)，被視作固態(tài)電池爆發(fā)前夜的信號(hào)。此時(shí)，一直被提及但十分神秘的新材料——石墨烯，有望領(lǐng)跑固態(tài)電池賽道，并在固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中注入強(qiáng)心劑。

一根鉛筆與一顆鉆石

何為石墨烯?柔軟易碎的石墨，與堅(jiān)硬無(wú)比的鉆石，看似大相徑庭，實(shí)則都是碳元素的同素異形體，由于碳原子的排列組合方式不同，才呈現(xiàn)出完全相反的特點(diǎn)。

鉛筆書(shū)寫(xiě)絲滑但又十分脆弱，是因?yàn)楣P芯的原材料——石墨，為片層狀的碳原子結(jié)構(gòu)，雖然每一層都異常堅(jiān)固，但層與層之間的范德華力(分子間作用力)較小，一旦施加外力就容易分層斷裂。

換句話(huà)說(shuō)，若能成功分離出石墨中堅(jiān)固穩(wěn)定的單層碳原子，就可以得到高強(qiáng)度、高柔韌性的材料。

一根鉛筆和一顆鉆石之間的差距，為英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位物理學(xué)家提供了靈感，“撕”出了新材料的無(wú)冕之王——石墨烯。這一發(fā)現(xiàn)，不僅讓石墨烯走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，而且登上了諾貝爾獎(jiǎng)舞臺(tái)，如今，更成為固態(tài)電池的領(lǐng)跑者。

曲面石墨烯，固態(tài)電池的下一個(gè)答案?

固態(tài)電池電極與固態(tài)電解質(zhì)的高界面阻抗，始終是業(yè)界難以解決的問(wèn)題，處理不好會(huì)使固態(tài)電池的性能急劇下降。石墨烯絕佳的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，則可以解決以上兩大難題。

石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK，是銅的10倍，鋁的25倍，且電阻率只有10^-6Ω·cm10，遠(yuǎn)低于銅或銀等常見(jiàn)導(dǎo)體，這意味著，在石墨烯中，電子跑得飛快。因此，石墨烯材料運(yùn)用于固態(tài)電池，不僅能極大提高電池性能，更不用擔(dān)心一直以來(lái)被詬病的散熱問(wèn)題。

就市場(chǎng)來(lái)看，目前制造出來(lái)的石墨烯產(chǎn)品大多不是完整的單層結(jié)構(gòu)，而是復(fù)合后的多層結(jié)構(gòu)，讓石墨烯的優(yōu)勢(shì)大打折扣。而曲面石墨烯的加入，讓固態(tài)電池大戰(zhàn)的前夜迎來(lái)破曉時(shí)刻。

旭華科技研發(fā)的曲面石墨烯，在石墨烯基礎(chǔ)上進(jìn)行控制產(chǎn)品尺寸和防抱團(tuán)兩大突破，使得碳原子處于一定的應(yīng)力狀態(tài)，形成了一種新型的石墨烯結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于固態(tài)電池電解質(zhì)和正負(fù)極材料中，可以提升石墨烯表面和電極之間的穿梭運(yùn)動(dòng)，在充放電速度、電池容量、循環(huán)壽命等方面進(jìn)行指數(shù)級(jí)突破。

從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)還有多遠(yuǎn)?

此前，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高不久前在新能源科學(xué)與交通電動(dòng)化國(guó)際論壇上的話(huà)傳遞出一個(gè)信號(hào)：中國(guó)電池企業(yè)將在固態(tài)電池領(lǐng)域展開(kāi)集體攻勢(shì)，搶占未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的制高點(diǎn)。

“以固態(tài)電解質(zhì)研發(fā)為核心的全固態(tài)電池正在研發(fā)中，預(yù)計(jì)2030年成熟。下一步要產(chǎn)業(yè)化的是智能安全電池，就是把安全技術(shù)、智能技術(shù)全部結(jié)合起來(lái)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)該在2025年。全固態(tài)電池估計(jì)在2027年-2030年之間達(dá)到規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。”歐陽(yáng)明高表示。

2025年近在眼前，而放眼全球，目前還未看到量產(chǎn)固態(tài)電池搭載在汽車(chē)上。此前，由大眾汽車(chē)注資的美國(guó)電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)Quantum Scape研發(fā)的固態(tài)電池量產(chǎn)交付遇到了阻礙。近日，在2024奇瑞全新創(chuàng)新大會(huì)上發(fā)布的“切角后不影響充放電的固態(tài)電池”，也要在2026年才上車(chē)。

從研發(fā)到上車(chē)的時(shí)間差，主要是卡在了量產(chǎn)環(huán)節(jié)。固態(tài)電池的成本高、內(nèi)阻大，就是扼住量產(chǎn)“咽喉”的難題。

“成本低、可量產(chǎn)、尺寸均質(zhì)、分散性?xún)?yōu)秀和固液態(tài)相互轉(zhuǎn)化，是曲面石墨烯的五大優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)性排在第一位。”旭華科技首席專(zhuān)家朱光華介紹道。“單層石墨烯的市場(chǎng)公價(jià)是每克近千元，通過(guò)我們的技術(shù)，可以使成本下降至目前的1%。”旭華科技董事長(zhǎng)崔旭進(jìn)一步解釋了石墨烯的產(chǎn)能與成本情況，“2022年，首批曲面石墨烯已經(jīng)量產(chǎn)下線(xiàn)。目前，一周的產(chǎn)能在400公斤。”

400公斤不是小數(shù)目，由于其特性，每克石墨烯的總面積可以達(dá)到2600多平方米。石墨烯產(chǎn)能的突破，進(jìn)一步縮短了固態(tài)電池上車(chē)的“最后一公里”。得益于技術(shù)突破、原材料供應(yīng)能力提升，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程逐漸加快，未來(lái)，可替代傳統(tǒng)鉛酸電池、鋰電池，更可應(yīng)用在消費(fèi)電子(如5G手機(jī))、電動(dòng)汽車(chē)、新能源汽車(chē)、航天航空、移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域。

新材料的含金量還在上升

新材料作為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基石，歷來(lái)是各國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)奪的科技高地。自問(wèn)世以來(lái)，歐美、日本等國(guó)家對(duì)石墨烯這一材料視若珍寶，早有布局，但又各有側(cè)重。

早在2013年1月，歐盟委員會(huì)就把“石墨烯旗艦計(jì)劃”列為首批“未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一，投資預(yù)算高達(dá)10億歐元。“石墨烯旗艦計(jì)劃”設(shè)立了12個(gè)工作組，囊括材料應(yīng)用、復(fù)合材料、光電子、電子設(shè)備、傳感器、生物醫(yī)藥、健康及環(huán)境等研究方向。

美國(guó)的布局則要更早一點(diǎn)。從2006年開(kāi)始，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)設(shè)立了眾多碳基電子基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，其中就包括多項(xiàng)有關(guān)石墨烯的研發(fā)項(xiàng)目。

日本在石墨烯領(lǐng)域同樣展現(xiàn)出了強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力和創(chuàng)新能力。日本學(xué)術(shù)振興機(jī)構(gòu)從2007年起開(kāi)始對(duì)石墨烯相關(guān)材料、器件技術(shù)進(jìn)行資助。今年，日本東芝公司還開(kāi)發(fā)了一種利用石墨烯作為陽(yáng)極材料的鋰離子電池，稱(chēng)為SCiB(Super Charge ion Battery)，適用于汽車(chē)、工業(yè)和家庭等領(lǐng)域。

中國(guó)石墨烯技術(shù)已在超級(jí)電容器、復(fù)合材料方面有了突出的創(chuàng)新和應(yīng)用，不僅在實(shí)驗(yàn)室層面取得了重大突破，在除能源之外產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化方面也取得了顯著進(jìn)展。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，利用曲面石墨烯的高吸附性、特殊結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，能夠促進(jìn)植物光合作用的進(jìn)行，減緩肥力的釋放速度，從而加快植物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量。

在工業(yè)領(lǐng)域，除電池電極材料外，石墨烯的高敏感度與電子特性，讓它在半導(dǎo)體、傳感器等領(lǐng)域大放異彩。水凈化處理、重金屬污染土壤修復(fù)、石墨烯潤(rùn)滑油以及混凝土增強(qiáng)劑等應(yīng)用，都凸顯出曲面石墨烯的廣泛適用性。

當(dāng)下，學(xué)術(shù)界和市場(chǎng)的需求之間仍存在較大差距，需要更緊密的合作來(lái)縮小這一差距，應(yīng)通過(guò)研究人員、制造公司和應(yīng)用企業(yè)的通力合作起草標(biāo)準(zhǔn)，擬定分級(jí)，指導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)入特定市場(chǎng)，為石墨烯真正走上產(chǎn)業(yè)化道路奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。