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石墨烯——新能源行业的“新材料之王”完美体育(中国)股份有限公司发布日期:2023-01-19 浏览次数:

  完美体育在新能源汽车和充电设施领域,越来越多的新技术和新材料被应用,今天我们就聊聊前一段时间曾被热炒的石墨烯和我们似乎熟悉但又陌生的塑料。

  电动汽车的需求不断增长以及对节能的需求推动对更持久、更便宜的电池的发展。到目前为止,我们一直在使用基于锂离子的电池,自 2000 年混合动力汽车问世以来,这些电池已得到了显着改善。与汽油和柴油发动机的研发以继续提高效率的方式相同,我们预计电池的研发将导致生产成本下降和整体性能改善。锂离子技术领域已取得了快速进展,许多替代化学元素正在接受测试。

  根据彭博新能源财经的报道,锂离子电池的成本已从 2010 年的每千瓦时 1,160 美元(8.6 元人民币/千瓦时)降至如今的 156 美元/千瓦时(1.1 元人民币/千瓦时),下降了约 87%,主要是由于规模经济和自动化。到 2023 年,预测成本可能降至 100 美元/千瓦时(0.7 元人民币/千瓦时)。但在某些时候,原材料成本将限制进一步的削减。对这些材料(例如锂,镍,钴)的需求不断增长可能会导致供应问题和材料成本的波动。因此,根据彭博新能源财经,这一行业将如何进一步降低价格的不确定性越来越小,到 2030 年将从 100 美元/千瓦时(0.7 元/千瓦时)降至 61 美元/千瓦时(0.4 元人民币/千瓦时)。

  根据美国能源部资料,如果电动汽车要与汽油或柴油汽车竞争,电动汽车则必须达到每千瓦时 125美元(0.8 元人民币/瓦时)的价格。美国能源部估计到 2022 年将达到这一临界值。某些其他研究机构表示,当电池成本降低至 100 美元/千瓦时(0.7 元人民币/千瓦时)时,可以替代汽油/柴油。

  成本是动力电池开发进度的主要因素。其他可以指示进展的特征包括能量和功率密度、电池寿命、原材料消耗、电池的制造过程以及安全性。电池开发需要在这些和其他电池功能之间进行权衡。

  自 2000 年代初以来,电池科学家一直在通过使用不同比例的钴元素来开发效率更高的电池。然而,当前和未来的供应问题已使得降低电池中的钴含量成为关键优先事项。到 2030 年,电动汽车的产量预计将超过目前的钴开采和加工能力。这种前景使汽车制造商争相确保原材料的长期供应。特斯拉采取了不同的策略,承诺消除其下一代电池中的矿物质。

  找到电池材料的最佳组合的挑战是所有材料都具有特定的特性和权衡。例如,一种主要的锂离子电池组使用由镍、锰和钴的混合物制成的所谓的镍锰钴阴极。一般而言,镍增加了容量,锰带来了安全性,钴的量决定了电池可以充电和放电的速度。因此,通过增加容量(即增加镍,减少其他镍的消耗)会牺牲安全性和充电速度。其他类型的锂离子电池包括相对便宜且经久耐用但能量密度低的磷酸铁锂电池,以及可容纳大量能量的镍钴铝氧化物电池(由松下/特斯拉使用),但价格昂贵且安全性较低。

  数十年的基础研究和工程研究带来了常见锂离子设计的明显改善。例如,2011 年的首款日产 Leaf配备了容量为 24 千瓦的锂电池。日产汽车不断提高的能源密度使其日产汽车能够在其类似尺寸的2018 年车型中安装 40 千瓦的电池。

  在这些进步以外,随着能量的加强,这一代的电池的终点也已经能够预见到。目前余下的唯一的事是通过生产的规模和自动化来降低成本。这将带来更便宜的电动汽车,但不一定是能够在单次充电开得更远的电动汽车。汽车的电池在重量和体积方面是有一定限制的。

  与当今常用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同,固态电池是使用固态电极和固态电解质的电池。由于一般科学界认为锂离子电池已从整体性能角度达到其极限,因此近年来,固态电池和石墨烯电池已被视为可以继承锂离子电池地位的电池。固态锂电池技术使用由锂和钠制成的玻璃化合物作为导电材质,代替了以前的锂电池的电解质,并大大提高了锂电池的能量密度。

  固态电池和其他下一代电池已经开发了数十年,进展缓慢且从根本上来说是不确定的。其中一些有希望比锂离子电池具有更大的存储容量(以千万/千克计),是它们在实用性和大规模生产准备方面仍然面临相当大的障碍。在这种新一代电池中,从大众市场的角度来看,固态电池似乎最有前途。它们使用固体电解质代替易燃液体,这使电池更安全,并且由于固体层比液体层占用的空间少,因此它还可以增加能量密度。由于这些原因,固态电池已经在起搏器和其他关键应用中使用。但是到目前为止,它们对于电动汽车而言过于昂贵。挑战之一是找到一种将超薄固体电解质层施加到电极上的方法,即使在充电和放电过程中电解质溶胀和收缩时,该电解质层仍能保留在原位。在这个电解质层之外,逐个原子地沉积这样的层在技术上是可行的,但是非常耗时,因此难以实现规模经济和成本降低。

  福特、丰田、戴姆勒、大众、雷诺、日产、三菱和现代投资了数亿美元用于固态电池的研发。这项新兴技术可以为单次充电提供 800~1600 公里的续航里程的电动汽车开路,而目前仅为 50~800 公里。它们还将消除锂离子电池固有的易燃性问题。

  从理论上讲,摆脱液体电解质应使固态电池的制造成本更低,使用寿命更长且具有防火性。它们也不需要液体冷却,因此将会减轻车辆的整体重量。

  固态技术的最大好处是改进的“能量密度“,即相对于重量和体积,它可以容纳的电荷量。

  然而,固态电池的最大挑战仍然是技术上的,限制了商业可行性。例如,对于大型电池组中有效地导电的电池固态部分,确定统一的材料已被证明是开发人员面临的主要挑战。金属锂因其高容量潜力和稳定性而被认为是固态电池的主要材料。麻省理工学院的研究人员已经确定了一种制造更薄的锂电解质的方法,这种电解质可以实现更快的充电速度和更高电压的固态电池。在下一个十年末之前可能无法完全实施,但与此同时,锂离子电池中添加硅的能量密度正在得到解决,这可能是一个可行的临时解决方案。

  就运输而言,在未来十年内,单次充电的车辆续驶里程不可能大幅度提高。对于较重的车辆(例如,卡车和公共汽车),可能需要其他策略来覆盖更长的距离(例如,在途中进行快速充电,可能是在特定的路段行驶时,使用架空电线或路面上的感应充电器)。电池容量的限制(以及长期成本降低)为氢(燃料电池)技术打开了机会之窗。

  如我们在前文所述,许多可再生技术依赖于相对稀缺的资源,并且对诸如钴和镍之类的金属也存在争夺。在这一行业领域,道德采购也将越来越重要,这将进一步限制原始矿物的供应。潜在的受益者包括政治稳定且管理良好的地区的采矿公司以及电池回收设施。

  燃料电池是通过电化学反应而不是燃烧来发电的装置。在燃料电池中,氢和氧结合在一起产生电、热和水。燃料电池系统是清洁、高效、可靠和安静的能源。燃料电池不需要像电池那样定期充电,而是只要提供燃料源就可以继续发电。

  虽然与锂电池电动汽车相比有许多优势,但燃料电池电动汽车仍存在很多缺点,其中包括:(1)加油地点稀少;(2)虽然给氢汽车加油的成本与传统燃料相似,存储或移动氢本身以及技术研发的成本很高;(3)消费者对爆炸风险的担忧也是一大障碍。我们看到私营部门的机会有限;只看到一些公共部门的需求,例如公司的公共汽车和卡车。

  日本和欧洲的汽车制造商在这一领域的行动很早,但是大量的研发费用最终使他们团结起来解决了这个问题。戴姆勒宣布与沃尔沃卡车达成一项协议,分担开发、生产和销售以燃料电池技术为动力的重型汽车的费用。宣布的目标是要在 2025 年之后将大型、长途的燃料电池驱动的卡车投入市场。但是,与此同时,戴姆勒表示,它正在暂时搁置燃料电池驱动汽车的计划。该公司制造了一些 GLCF-Cell 车型。

  宝马还放弃了最初的氢计划,这一计划使用氢气这一气体燃烧并为其汽油发动机提供动力。现在,它已经接受了燃料电池,燃料电池可在船上发电以为电动机提供动力。宝马还与丰田汽车合作开发燃料电池技术,后者则通过其 Mirai 模型出售了该技术的一些车型。其他生产的 FCEV 包括本田Clarity 和现代 Nexo。

  宁德时代、松下、LG 化学、比亚迪和三星 SDI 是排名前五的电池制造商。从外包装的角度来看,圆柱,方形和软包装这三种主要的电池包装模型各有优缺点。

  松下从早期进入单高能量电池领域,在对钴元素的广泛应用和高端市场地位(一直为特斯拉汽车提供电源)开始一直是这一领域的领导者。

  宁德时代的优点在于后端过程中使用本地化的设备,而前端设备也在加速本地化。它叠加了人工成本和出色的管理能力的优势。

  宁德时代也刚刚介绍了其电芯到包装(CTP)电池的开发计划。新的 CTP 平台旨在改善电池组的开发,将电池组的能量密度从 LFP 的 180 瓦/千克增加到 200 瓦/千克。

  CTP技术的关键数据如下:宁德时代的目标是将质量相关的能量密度提高 10-15%,对于体积相关的使用效率,宁德时代声称提高了 15-20%。这意味着更多的能量可以存储在相同的电池空间中,而整个电池也变得更轻。这样就减少了 40%的组件。

  就电池组而言,这些改进意味着能量密度为 200 瓦/千克,而不是目前的 180 瓦/千克。在电池单元级别,宁德时代已经实现了 240 瓦/千克的能量密度。公司 2024 年目标是 NCM 的能量密度达到350 瓦/千克。

  LG 和宁德时代具有最广泛的客户群。LG 已经基本覆盖了大多数海外高端汽车公司。宁德时代在国内市场上的份额超过 50%,并已进入大众汽车、宝马、奔驰等高端汽车公司在中国的合资企业的供应链。从产能的角度来看,宁德时代和 LG 在全球扩张方面非常活跃。

  93 千瓦时的电池组来自德国供应商德科斯米尔,而韩国的 LG 化学提供电池。Taycan Turbo S 和Taycan Turbo 中使用的两层超能电池 Plus 包含 33 个电池模块,每个模块由 12 个单独的电池组成(总共 396 个)。总容量为 93.4 千瓦时。细胞本身是所谓的软包电池。在这种电池类型中,电极堆不被刚性壳体包围,而是被柔性复合箔包围。这允许最佳地利用可用于电池的矩形空间并减轻重量。

  奥迪与欧洲的梅赛德斯·奔驰和捷豹路虎一起,从供应商 LG 化学采购电池,后者在波兰生产电池。LG 化学多年来一直是奥迪的合作伙伴,该汽车制造商在许多插电式混合动力车型中使用韩国制造商的电池。但是,LG 化学并不是唯一的奥迪电池供应商:虽然 e-tron 55 quattro 的电池由 LG 电池组成,而 e-tron 50 quattro(及其 Sportback 电池)则使用三星 SDI 的电池。

  e-tron 由一个 95 千瓦时的锂离子电池供电,该电池由 36 个电池模块组成,每个模块有 35 个袋式电池,共有 1,260 个单个电池。

  比亚迪凭借其在磷酸铁锂电池领域的早期进入,凭借其著名的全球电动公交网络在全球范围内或作为机场班车使用,已成为中国新能源汽车发展的领导者。虽然人们越来越多地涉及钴的镍锰钴电池领域,但磷酸铁锂电池仍然是比亚迪的专业技术。

  比亚迪最近正式推出了其全新的刀片式电池。刀片式电池本质上是磷酸锂铁电池,但是采用了一种新方法,可以显着提高安全性和体积能量密度,并降低成本。

  按照惯例,电池组体积中只有大约 40%是电池(单电池占模块的 80%,模块占电池组的 50%)。对于新的刀片电池方法- CTP 技术–电池占电池组体积的 60%,这是 50%的提高。

  为了证明这种新电池的安全性,比亚迪使用了包括 NCM、磷酸铁锂电池和刀片式电池在内的钉子穿透测试,其中刀片式电池被穿透后既不冒烟也不着火,其表面温度仅达到 30 至 60 摄氏度。

  这是 7 月 28 日,在广汽科技日上,广汽介绍其研发的石墨烯超级快充电池时提到的卖点。

  广汽提到,石墨烯材料除了用于动力电池快速充电,还可以用于轻量化车身、燃料电池、空气净化、轮胎和润滑油等诸多领域。

  可以说,一旦这种新材料上车,将会一改新能源车充电时间过长的现状,让充电像加油一样方便。

  石墨烯(Graphene)是一种由碳原子组成的呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,它是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性最强的新型材料。

  这种新材料,最早在 2004 年被英国曼彻斯顿大学的两位物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现。

  他们成功地用微机械剥离法从石墨中分离出了一种新材料——石墨烯,并因此共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖。

  单层石墨烯的厚度为0.34 纳米,相当于普通纸张的十万分之一。每克石墨烯的比表面积(单位质量物料所具有的总面积)可以达到2630 平方米,相当于六个篮球场的面积。

  这些特点决定了,石墨烯的强度很高,大约是钢铁的200 倍,电阻率比铜、银更低,是自然界电阻率最低的材料,导热性能优于任何金属。

  基于此,石墨烯在新能源、热管理、电子信息等应用领域中有很大潜力,并有着「21 世纪材料之王」的称号。

  但在投入 10 亿欧元后,这个计划最终仅发布了石墨烯在 13 个重点应用领域的科技路线图,但并未将石墨烯带入商业化阶段。

  在 2015 年之前,制备 1 克石墨烯的成本需要几百甚至上千元不等,石墨烯因此又被称为「黑金」。

  2015 年,我国曾在当年发布的《中国制造 2025》行动纲领中,提出:

  「重点发展石墨烯纯化批量制备装备,立足石墨烯材料独特性能,针对国家重大工程和战略性新兴产业发展需要,引导生产、应用企业和终端用户跨行业联合,协同研制并演示验证功能齐备、可靠性好、性价比优的各类石墨烯应用产品。」

  截至 2019 年,我国注册的石墨烯企业有 1 万多家,实际开展石墨烯业务的企业有 3000 多家。

  这些企业的加入,最终将石墨烯的价格拉到了每克 10 元左右,产业化的机会来了。

  在电池容量既定的情况下,充电功率越高,充满电所需的时间越短。所以,在满足电池安全性的前提下,让电池具备很高的充电功率是必由之路。

  以埃安 V 为例,NEDC 续航 600 公里的版本搭载了 81kWh 的电池组。

  如果 8 分钟充电 80%,意味着完成的充电量是 64.8kWh,充电功率必须达到 487KW。

  一位在造车新势力从事电池研发的资深人士表示:「8 分钟充 60kWh 的电量,充电功率达到 450KW,这种水平只有保时捷声称可以做到。从行业发展现状观察,今年没有实际交付的车型可以做到,实验室里或者明年也许能达到。」

  「达到你的要求(即 10 分钟充电量可以支持 500 公里续航)大概需要 400 ~500kW 的充电功率,基本上是【超高压平台+储能充电站+5C 倍率的固体电池组】,我预估在 2030 年具备初步的规模。」

  他接着说,更应该担心的是现在这些 100kW 的快充桩,以及 1C 充电倍率的 350~400V 电压平台的电动车。

  「这些落后的充电桩和充电速度慢五倍的车,到时候应该怎么处理?类似于柯达遍布全球的胶卷冲印店该怎么办?

  这才是几年后更难的战略选择。而到那个时候,采用增程式插混动力汽车,在家可以慢充,外出可以加油,摘掉发电机就是纯电动车,会头也不回地拥抱超固态电池高压电池充电。」

  这意味着,当广汽的新型石墨烯超级快充电池量产上车后,配合超高压的充电设施,对于行业产生的影响无疑是核弹炸裂级别的。

  新能源汽车行业发展至今,已经出现了比亚迪刀片电池、长城无钴电池和广汽石墨烯快速充电电池,大家的切入点分别是电池安全性、电池容量和充电效率。

  除了在电动汽车动力系统中的新应用外,特种化学品公司朗盛认为工程热塑性塑料在电动汽车充电基础设施方面具有巨大潜力。有关各种部件的要求主要来自电气和电子(E&E)行业和汽车行业。“这两个行业几十年来一直是我们聚酰胺和聚酯的核心业务。这就是为什么我们已经可以提供符合国际电气和汽车行业最重要标准和规范的定制材料,并且这种材料非常适合用于充电基础设施,”朗盛高性能材料(HPM)业务部门E&E应用开发项目经理Sarah Luers说。

  Durethan聚酰胺(PA)和Pocan聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)主要用于充电插头和插座、充电站和墙箱的部件(例如车库和车棚),以及高压电池的感应式无线充电系统的部件。尽管目前在许多领域,电动汽车的标准化水平仍在不断提高,但聚酰胺和聚酯已经为直流或交流电池充电领域的应用提供了广泛的可能性。

  非增强材料主要用于充电插头,因为它们具有较高的尺寸稳定性和表面质量、抗冲击性,因此在机械上非常坚固,而且当它们与电子部件接触时,还可以作为阻燃化合物使用。Luers说:“无卤阻燃剂PA 6 Durethan B30SFN30就是一个例子。在按照美国标准UL 94进行的可燃性测试中,它达到了V-0的最高分类,测试体厚度为0.75毫米。而PA 6 Durethan B30S则是插头手柄等薄壁部件的理想材料,不一定要阻燃。

  考虑到越来越高的充电电压和电流,用于消除产生的热量的导热性热塑性塑料也变得越来越重要。矿物基Durethan BTC965FM30和BTC77ZH3.0EF PA 6化合物具有较高的填料含量,是充电插头附近部件的理想选择。前者是无卤阻燃剂,在UL 94测试中达到V-0剂(0.75毫米)。Durethan BTC77ZH3.0EF含有一种特殊的矿物填充物,通过这种填充物,可以实现近乎各向异性的热导率,最高可达1.8瓦/米和开尔文。尽管填充物含量高,但该材料表现出优异的延伸率和加工特性。

  充电插座通常需要优良的耐火性、机械强度和良好的膨胀特性。“例如,无卤、阻燃和玻璃纤维增强级Durethan BKV30FN04 PA 6就满足了这些要求,UL也将其列为V-0级,”Luers说。

  充电墙盒的潜在性应用包括盖板和结构部件。作为可见部分,盖板不仅要易于上漆、具有耐候性、抗紫外线性,而且要有较低的翘曲倾向。例如,Pocan C1203满足了这一要求,它是一种未增强的聚碳酸酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的混合物。

  对结构部件(墙盒的安装系统)的典型要求包括高阻燃性、耐候性和抗蠕变性,以及高韧性和低翘曲倾向。Luers说:“这里选择的材料是高强度的,因此可以用非常坚固和坚硬的Durethan BKV45FN04。”

  另一个当前的发展趋势是汽车电池的感应充电和无线充电。此处所需的地板和车辆垫板,以及容纳感应充电线圈的材料,必须采用耐火、机械强度高、变形倾向低和介质强度高的材料制成。材料还必须具有耐光性和耐候性,在-45℃至+125 ℃的温度范围内,其性能保持高度稳定。可用于地板的一种材料是玻璃纤维和玻璃球增强PA 6 Durethan BG30XFN01。它显示出优良的流动性能,同时具有极高的强度和抗变形能力。它通过了UL 94测试,等级为V-0,测试体厚度为0.75毫米。它还通过了UL f1认证,可用于暴露在紫外线和水中的户外应用。

  HPM为电动汽车充电基础设施中使用的整个组件开发链的客户提供支持。服务包括开发专用材料和优化加工。该套餐还包括组件设计期间的工程服务,如CAE模拟、模具流动计算和各种成品零件测试。“我们还根据IEC 60695-2-13标准进行抗紫外线和防火性能的标准测试,如灼热丝测试,”Luers说。服务范围还包括电气测试,如根据IEC 60243-1进行的介电强度测试。

  来源:未来智库、汽车之心Autobit、新科技视界、充电桩视界、Carbontech等

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  本书涵盖工程塑料、特种橡胶与弹性体、高性能纤维、电子化学品、膜材料、聚氨酯材料、氟硅材料等七大细分行业的二十多种重点产品。围绕市场供需、工艺技术、应用进展等方面的进展,分析行业发展中存在的问题,提出促进行业健康发展的政策建议。包含了化工新材料行业大量珍贵的统计数据和调查研究成果,是有关企事业单位和政府部门投资决策、政策制定的重要参考资料。

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