刘忠范院士:石墨烯电池离成熟应用还很远
石墨烯是近年来受到广泛关注的战略新兴材料。目前,全国各地建设中的石墨烯产业园、石墨烯产业创新中心以及石墨烯研究院等已经超过30家,有数百家企业从事石墨烯原材料和产品研发,而且这些数字仍在迅速增长。
石墨烯从材料领域横空出世成为街知巷闻的新闻热词,源自它与新能源汽车的联系。连篇累牍的报道捧红了石墨烯,也炙热了新能源汽车关联产业想要突破束缚继续扩张的心,但是石墨烯是否能够担当解开动力电池束缚的“救世主”?
刘忠范院士,北京大学纳米科学与技术研究中心主任,归国24年,主要研究方向就是石墨烯,是纳米碳材料领域的国际知名专家,也是中国纳米碳材料研究的引领者。
回国24年来,刘忠范在这个研究领域倾注了几乎全部心血:“任何一个新材料或新技术产业发展都没有那么简单。石墨烯材料刚刚走出实验室,至多处于产业化初期,还不成熟。现在有些人认为石墨烯产业门槛很低,进去就可以赚大钱,这是一个严重的认识误区。”以一名科学家的眼光,刘忠范认为“石墨烯是一种战略材料,如果我们对它仍是淘金运动的态度,不改变当前的产业发展方式,未来石墨烯领域的核心产业有可能会被国外占领。我们现在成果很多,但还徘徊在低端产业链上。”
面向未来的石墨烯,现在国外做石墨烯的很多是大型企业,而中国基本上都是一些小型的初创企业。“如果这个态势不改变,未来我们肯定竞争不过人家。我们必须认识到,石墨烯新材料产业化是一条漫长的路,需要顶层设计和总体布局”。
由于担心石墨烯产业发展路子走偏,刘忠范承担起中国科学院“石墨烯产业化战略咨询项目”,还投入了大量精力从事石墨烯研究和产业发展宣传工作,到相关部委、科技论坛、干部研修班办讲座,主动邀请中央政策研究室、国务院参事室、国家发改委、中关村发展集团等部门座谈石墨烯产业化问题。
为解决我国石墨烯产业发展后劲不足、缺少核心技术的难题,在刘忠范的积极推动下,北京市成立北京石墨烯研究院,定位为引领石墨烯产业的核心技术策源地、政产学研协同创新机制和创新文化建设示范区、全球高端人才汇聚地和创业基地,他亲自担任院长。
刘忠范还是北京石墨烯产业创新中心的重要发起人以及中关村石墨烯产业联盟理事长。这些重大举措将北京市石墨烯产业“一张蓝图绘到底”,为北京市石墨烯产业的健康、快速发展奠定了基础,同时也对全国石墨烯产业起到了引领作用。 敢于负责,主动作为,勇于担当,一批像刘忠范一样的新一代知识人,正在为实现强国梦贡献所学,倾注心血。
“石墨烯在国内尝试最多的就是加在锂离子电池里面做导电添加剂。石墨烯的导电性好,放进去会一定程度上提高电池的导电性,降低内阻,电池的性能会有所提升。”刘忠范表示,由于石墨烯本身来源、制备方法等方面的原因,做出来的产品并不稳定。
在石墨烯之前,碳材料家族里的碳纳米管就已经有20多年的研究历史了,比石墨烯还要早十几年。“在那个时候碳纳米管加进去也能起到类似的作用,而且现在也有人把石墨烯和碳纳米管一起加进去,所以从某种意义上来说,这一类的碳材料加进去都有效果,但是效果有限。” 刘忠范认为,石墨烯可能对汽车动力电池性能提升有所帮助,但“为动力电池行业带来颠覆性的变化”这个说法不合适。
暂不论石墨烯的应用效果,电池技术短时间内难以突破才是电动汽车发展的最大问题。
石墨烯究竟能在哪方面发挥作用?
对此,刘忠范也给出了他的解释。“目前最受行业期待的电池突破,一是充电效率的提高,二是能量密度的提高。这两方面的作用都有人提,但我认为石墨烯在实际应用上的作用还有待商榷。”刘忠范说,石墨烯导电性好是优点,但是它也有缺点。将石墨烯加到电池里面会让锂离子更活跃,从而提高充电效率。但加入量少,作用不明显,量多又占空间,不利于应用到汽车上。”
他强调,石墨烯在电池的应用中,不仅要考虑重量能量密度,还要考虑体积能量密度。所以,石墨烯电池离成熟应用还很远,还有很多问题要考虑和平衡。石墨烯开始时髦起来有十二三年时间,最开始就有人研究石墨烯在电池上的应用,但是到现在大家还在争论,这就说明石墨烯在电池方面应用待解决的问题还很多。
所以,刘忠范并不认为短时间内,石墨烯能够在汽车电池领域有很大突破。虽然态度并不乐观,但是他并不否认石墨烯也是动力电池未来发展的一个值得尝试的方向。
刘忠范认为,提高电动汽车续航里程,未来努力的方向可以有两个,“一是降低整车重量;二是将电池的能量密度提高一倍。”
电动汽车的动力电池是一个需要系统解决的问题,刘忠范说,“动力电池的性能与材料有关,与结构也有关系,还与充电桩的配置有关系。只有这些相关联的问题都解决好了,才能保证整体性能的提升,材料的改进只是其中的一个方面而已。”
特斯拉的成功就是范例,特斯拉成功就成功在电池管理做得好,而这恰恰是国内电动汽车产业欠缺的。