东旭光电实现石墨烯基大动力电池首次商业化应用 未来将发展商用车领域

9月10日,东旭光电科技股份有限公司(000413.SZ,下称东旭光电)携子公司上海碳源汇谷新材料科技有限公司(下称碳源汇谷)在上海发布首款石墨烯基叉车锂离子电池新品,即“烯王”大动力电池,实现石墨烯基大动力电池首次商业化应用。

此外,碳源汇谷还分别与深圳虹天扬、益创新能源、上海渊深科技签署了《石墨烯基叉车锂离子电池产品销售与合作协议》,涉及预销售总量不低于3000台(套),预计销售额过亿元。

从小动力到大动力

此次石墨烯基叉车锂离子电池的发布,是“烯王”在大动力电池领域的首次应用。从小动力到大动力,石墨烯基锂离子电池经过了长达数年的发展期。2016年、2017年,东旭光电先后成功推出“烯王”一代、“烯王”二代石墨烯快充移动电源的超级快充技术,并在小动力电动工具和电动自行车等产品上成功实现了石墨烯基小动力电池的应用。

东旭光电相关负责人表示:“小动力和大动力有很大不同,简单来说,大动力电池应用场景比小动力要严酷复杂很多,对可靠性、稳定性、耐久性的要求不可同日而语,所以对电池本身的要求也很不一样。”

在技术上,东旭光电成功实现了高品质石墨烯的规模制备,即可以制造纯度达到99%的单层石墨烯材料。此次的石墨烯基叉车锂离子电池,从单层石墨烯材料到石墨烯基锂离子电池正极材料,再到石墨烯基倍率动力电芯,一直到系统集成,都是由东旭光电自行研发。

在谈到为何选择叉车锂电领域作为其石墨烯基大动力电池的应用突破口时,东旭光电副总裁兼石墨烯事业部总裁、上海碳源汇谷新材料有限公司董事长冯蔚东博士表示,石墨烯基锂离子电池具备三大天然优势,即:安全性、充放电倍率高、循环寿命长,而这三大特点刚好是叉车所需要的。举个例子,东旭光电的石墨烯基锂离子电池,可在15分钟内充进50%的电量,40分钟即可全部充满。而在循环寿命方面,在5C充放100%放电深度的情况下,循环寿命平均可达5000次。

中国叉车行业是一片广阔的市场。据中国叉车网常务副总、首席咨询顾问张民生介绍,2019年上半年,中国叉车总共生产销售30.6万台,全球共计生产销售70.7万台,中国的生产销售量达到世界的40%。并且,从2009年到现在,中国一直是叉车第一生产和销售大国。

张民生表示,国内叉车领域有三个特点:第一,该领域目前没有头部公司,因此机会很大;第二,该领域的进入门槛很低,由于是小众行业,并不受大企业重视;第三,叉车行业的发展比汽车行业更健康,叉车行业没有一分钱补贴,就是刚性需求。因此,他看好中国叉车行业,也看好新能源在叉车行业的应用。

碳源汇谷方面表示,该公司计划2019年年底实现首款石墨烯基叉车锂离子电池产品的批量上市,分期分批完成产品交付。同时,公司还与工业车辆制造商进行了产品的深度定制,并将于2020年实现产品批量上市。

“让子弹飞一会儿”

进入叉车锂电市场只是碳源汇谷石墨烯基大动力电池商业化路线的第一步。碳源汇谷首席技术官(CTO)董新华指出,叉车只是工业车辆细分领域之一,碳源汇谷未来将以石墨烯基叉车锂离子电池为基础,陆续推出其他类别的非道路车辆电池,例如与高尔夫球车、观光车、游览车、道路清扫车等配套的石墨烯基锂离子电池。

对于石墨烯基大动力电池未来研发路径,冯蔚东指出,一方面将向AGV叉车和机器人叉车等工业车辆领域发展,另一方面则向电动物流车和电动大巴车等商业车领域发展。

“先让子弹飞一会儿,再看它能不能打中目标。”这是冯蔚东对未来石墨烯基锂离子电池在商用车领域应用的看法,他表示,石墨烯基锂离子电池在工业应用这一部分越夯实,BMS这一部分的基础越牢,越有利于商用车电池的推出。不过,目前东旭光电方面没有给出其推出商用车电池的具体时间表。

上海交通大学电子与信息工程学院教授、博士生导师,碳源汇谷首席科学家郭守武说,石墨烯基锂离子电池要真正落地到商用车产品,需要考虑安全性,包括家用小轿车和大客车都需要纳入考虑范围,并且还受到行业标准、国家制度和政策的制约。

石墨烯产业化应用

相较于传统的铅酸电池,石墨烯基锂离子电池的效能更高、使用成本更低。据东旭光电方面介绍,目前叉车行业主要使用的还是铅酸电池,相对于其他的电池,使用石墨烯基锂离子电池虽然首次投入成本增加了,但是由于石墨烯基锂离子电池的寿命是其他电池的3-5倍,所以终端用户的使用成本反而降低了。

如果叉车使用铅酸电池,一辆叉车的生命周期内大约要更换3次电池,在有些重工况环境下,需要同时为一辆叉车配2-3块电池。东旭光电方面表示,使用其研发的石墨烯基叉车锂离子电池,使用成本可降低15%左右,能效提高了18%。铅酸电池的能效大约只有75%-80%,石墨烯基锂离子电池能达到98.5%。

石墨烯素有“新材料之王“的称号,然而,光环之下,石墨烯的产业化之路却并不容易。中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春介绍说,石墨烯真正引起关注是在能源领域的应用。2013年西班牙企业便发布了相关研究成果,但至今没有实现产业化。

李义春表示:“产业化是很难的,在实验室或许是容易的,但真正做一个产品是非常难的。实验室做一个就好,做产品需要保证做几百个几千个品质都一样。”

东旭光电在石墨烯产学研一体化和石墨烯技术产业化落地方面具有较强优势,截至目前,东旭光电已构建了石墨烯基锂离子电池、石墨烯节能照明、石墨烯热管理及石墨烯防腐涂料四大规模化应用序列产品和悬浮石墨烯传感芯片高端应用产品。同时,该公司先后与英国曼彻斯特大学、上海交通大学、北京理工大学、江西理工大学等科研机构合作,打造外延式联合产业研发体系,进行技术和产品创新。

曼彻斯特大学专利局局长安德鲁·威尔金森(Andrew Wilkinson)表示,中国市场在石墨烯领域处于比较领先的位置。他介绍称,中国的石墨烯相关专利以2753项的数量占据全世界总专利数的三分之二,排名第二的韩国拥有562项专利,排名第三的美国则有290项专利,与中国的专利数量差距巨大。此外,国内有一千多家企业从事与石墨烯相关的研发生产。

根据四方共同签署的合作协议,东旭光电与曼彻斯特大学共同在英国成立的投资平台Riptron公司正在进行悬浮石墨烯传感芯片的研发工作。未来将进一步在中国设立制造运营平台,以实现更精准更有深度的产业化应用。

石墨烯电池,利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新能源电池。

美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新的电池。

新型石墨烯电池实验阶段的成功,无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛,而电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段,石墨烯储能设备的研制成功后,若能批量生产,则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。 [1]

由于其独有的特性,石墨烯被称为“神奇材料”,科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。曼彻斯特大学副校长Colin Bailey教授称:“石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用,从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。”

最近美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器,该电容器不仅外形小巧,而且充电速度为普通电池的1000倍,可以在数秒内为手机甚至汽车充电,同时可用于制造体积较小的器件。

微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展。主要制造微型电容器的方法是平板印刷技术,需要投入大量的人力和成本,阻碍了产品的商业应用。而只需要常见的DVD刻录机,甚至是在家里,利用廉价材料30分钟就可以在一个光盘上制造100多个微型石墨烯超级电容。

正是看到了石墨烯的应用前景,许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心,尝试使用石墨烯商业化,进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”,设立专项研发计划,未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI),力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。

中国在石墨烯研究上也具有独特的优势,从生产角度看,作为石墨烯生产原料的石墨,在我国储能丰富,价格低廉。另外,批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯,并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上,制备出了7英寸石墨烯触摸屏。

中科院重庆绿色智能技术研究院的研究人员在展示单层石墨烯产品的超强透光性和柔性。

由于石墨烯拥有超乎想像的导电能力,石墨烯电池概念成为突破电池技术瓶颈的救命稻草。尤其国内电动汽车行业但凡有技术突破都与石墨烯电池挂钩。 

随着研究的不断深入,技术难题的接连攻克,应用范围也在不断拓宽,相信石墨烯器件时代已为期不远,也可以期待一下这一“21世纪的神奇材料”会带来怎样的惊喜。 

“石墨烯电池或将改革:充电10分钟跑1000公里” 报道:西班牙Graphenano公司(一家以工业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池,其储电量是市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。虽然此电池具有各种优良的性能,但其成本并不高。Graphenano公司相关负责人称,此电池的成本将比锂电池低77%,完全在消费者承受范围之内。此外,在汽车燃料电池等领域,石墨烯还有望带来革命性进步。