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

　　一根鉛筆與一顆鉆石

　　何為石墨烯?柔軟易碎的石墨，與堅硬無比的鉆石，看似大相徑庭，實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。

　　鉛筆書寫絲滑但又十分脆弱，是因為筆芯的原材料——石墨，為片層狀的碳原子結構，雖然每一層都異常堅固，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。

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

　　一根鉛筆和一顆鉆石之間的差距，為英國曼徹斯特大學的兩位物理學家提供了靈感，“撕”出了新材料的無冕之王——石墨烯。這一發(fā)現(xiàn)，不僅讓石墨烯走進千家萬戶，而且登上了諾貝爾獎舞臺，如今，更成為固態(tài)電池的領跑者。

　　曲面石墨烯，固態(tài)電池的下一個答案?

　　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)界難以解決的問題，處理不好會使固態(tài)電池的性能急劇下降。石墨烯絕佳的導熱性和導電性，則可以解決以上兩大難題。

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

　　就市場來看，目前制造出來的石墨烯產(chǎn)品大多不是完整的單層結構，而是復合后的多層結構，讓石墨烯的優(yōu)勢大打折扣。而曲面石墨烯的加入，讓固態(tài)電池大戰(zhàn)的前夜迎來破曉時刻。

　　旭華科技研發(fā)的曲面石墨烯，在石墨烯基礎上進行控制產(chǎn)品尺寸和防抱團兩大突破，使得碳原子處于一定的應力狀態(tài)，形成了一種新型的石墨烯結構，應用于固態(tài)電池電解質(zhì)和正負極材料中，可以提升石墨烯表面和電極之間的穿梭運動，在充放電速度、電池容量、循環(huán)壽命等方面進行指數(shù)級突破。

　　從實驗室到量產(chǎn)還有多遠?

　　此前，中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高不久前在新能源科學與交通電動化國際論壇上的話傳遞出一個信號：中國電池企業(yè)將在固態(tài)電池領域展開集體攻勢，搶占未來電動汽車市場的制高點。

　　“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，預計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、智能技術全部結合起來進行產(chǎn)業(yè)化，應該在2025年。全固態(tài)電池估計在2027年-2030年之間達到規(guī)模產(chǎn)業(yè)化?！睔W陽明高表示。

　　2025年近在眼前，而放眼全球，目前還未看到量產(chǎn)固態(tài)電池搭載在汽車上。此前，由大眾汽車注資的美國電池研發(fā)團隊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。

　　從研發(fā)到上車的時間差，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)、分散性優(yōu)秀和固液態(tài)相互轉化，是曲面石墨烯的五大優(yōu)勢，經(jīng)濟性排在第一位?！毙袢A科技首席專家朱光華介紹道?！皢螌邮┑氖袌龉珒r是每克近千元，通過我們的技術，可以使成本下降至目前的1%。”旭華科技董事長崔旭進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。目前，一周的產(chǎn)能在400公斤?！?/p>

　　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到2600多平方米。石墨烯產(chǎn)能的突破，進一步縮短了固態(tài)電池上車的“最后一公里”。得益于技術突破、原材料供應能力提升，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化應用進程逐漸加快，未來，可替代傳統(tǒng)鉛酸電池、鋰電池，更可應用在消費電子(如5G手機)、電動汽車、新能源汽車、航天航空、移動設備等領域。

　　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，歷來是各國競相爭奪的科技高地。自問世以來，歐美、日本等國家對石墨烯這一材料視若珍寶，早有布局，但又各有側重。

　　早在2013年1月，歐盟委員會就把“石墨烯旗艦計劃”列為首批“未來新興技術旗艦項目”之一，投資預算高達10億歐元。“石墨烯旗艦計劃”設立了12個工作組，囊括材料應用、復合材料、光電子、電子設備、傳感器、生物醫(yī)藥、健康及環(huán)境等研究方向。

　　美國的布局則要更早一點。從2006年開始，美國國家科學基金會設立了眾多碳基電子基礎研究項目，其中就包括多項有關石墨烯的研發(fā)項目。

　　日本在石墨烯領域同樣展現(xiàn)出了強大的研發(fā)實力和創(chuàng)新能力。日本學術振興機構從2007年起開始對石墨烯相關材料、器件技術進行資助。今年，日本東芝公司還開發(fā)了一種利用石墨烯作為陽極材料的鋰離子電池，稱為SCiB(Super Charge ion Battery)，適用于汽車、工業(yè)和家庭等領域。

　　中國石墨烯技術已在超級電容器、復合材料方面有了突出的創(chuàng)新和應用，不僅在實驗室層面取得了重大突破，在除能源之外產(chǎn)業(yè)化和市場化方面也取得了顯著進展。

　　在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，利用曲面石墨烯的高吸附性、特殊結構和光學性質(zhì)，能夠促進植物光合作用的進行，減緩肥力的釋放速度，從而加快植物生長，提高作物產(chǎn)量。

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

　　當下，學術界和市場的需求之間仍存在較大差距，需要更緊密的合作來縮小這一差距，應通過研究人員、制造公司和應用企業(yè)的通力合作起草標準，擬定分級，指導產(chǎn)品進入特定市場，為石墨烯真正走上產(chǎn)業(yè)化道路奠定堅實基礎。