起底廣汽集團“石墨烯電池”真相

時間:2021-01-18 08:45來源:錦緞 作者:九監(jiān)
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       上周五（1月15日）尾盤，廣汽集團(SH:601238/HK:02238)“石墨烯電池”9月量產的消息引爆市場。當天，A/H兩地市場的廣汽，A股漲停收盤，港股則收漲19.5%，成交額分別達到10億和37億元。
 
       不過市場里彌漫的樂觀情緒甚至未持續(xù)過24小時。隔天舉行的中國電動車百人會論壇上，歐陽明高院士的一番話，迅速為市場的熱忱澆下一盆冷水，他說：“如果某一位說，（這個車）既能跑1000公里，又能幾分鐘充完電，而且還特別安全，成本還非常低，大家不用相信，因為是不可能的。”
圖1：受“石墨烯電池”消息促動，廣汽股價單日暴漲。來源：百度
 
       “充電8分鐘續(xù)航1000公里”，“續(xù)航1000公里”，廣汽集團放出的這顆“電池衛(wèi)星”究竟是怎么回事？
 
       隨著更多業(yè)內人加入討論、官方的進一步解釋以及我們在技術維度的研判，目前已大致確認3件事：
 
       1. 廣汽所謂“石墨烯電池”說法并不準確，但并非不切實際；
 
       2. 該石墨烯電池主要涉及一項電池負極技術：以石墨烯作為導電添加劑的“硅基復合負極材料技術”。其中，石墨烯作為負極材料中導電添加劑的摻入（最多不超過8%），可以提升電池的高倍率充電性能，即輔助實現(xiàn)所謂的“充電8分鐘續(xù)航1000公里”；基于“一核雙殼”結構工藝的“硅基鋰離子負極”，則可以提升電池循環(huán)穩(wěn)定性、結構密度與放電倍率性，即實現(xiàn)所謂的“續(xù)航1000公里”。
 
       3. 該電池同時涉及一項快充技術：在以石墨烯為三元鋰電池正極材料導電劑基礎上，通過一套降溫冷卻系統(tǒng)，而實現(xiàn)6C快充能力，即一種“充電8分鐘續(xù)航1000公里”技術。
 
       基于這樣的基本事實，我們的結論是：廣汽所稱的“石墨烯電池”正確的命名應為“摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池”。這項電池技術并非新技術，但在工藝上有較大突破。該電池所標榜的性能參數(shù)，雖然有水分，但也有較大的實現(xiàn)可能性。
 
01
一顆舊衛(wèi)星
  
       實際上，長期追蹤石墨烯技術的人士都知道，廣汽這幾天放出的“石墨烯電池”衛(wèi)星，本身就是一顆“舊衛(wèi)星”。早在2014年，就有一家名叫Graphenano（中文意為“石墨納米”）的西班牙公司公司就號稱已與該國科爾瓦多大學，聯(lián)合研發(fā)出了全球首件石墨烯聚合材料電池。
 
       在對外推介這件石墨烯電池時，Graphenano使用的參數(shù)話術就包括：
 
       ◆能量密度超過600wh/kg（即每公斤電芯可產生0.6度電。理論上，500wh/kg可以實現(xiàn)1000公里的真實續(xù)航）；
       ◇單次續(xù)航里程可高達1000公里；
       ◆單次完全充電僅需8分鐘以內；
       ◇使用壽命是鋰電池的兩倍。
       ……
 
       不過令人感到遺憾的是，Graphenano與科爾瓦多大學主導的這項實驗室技術，迄今仍未走出PPT，時間過去6年多未見落地。
 
       本質上說，無論是2014年的Graphenano還是2021年的廣汽，它們所謂的“石墨烯電池”，都是希望通過“核—殼”結構工藝實現(xiàn)石墨烯與硅的結合，作為新的硅基負極材料，部分替代原來完全以石墨為核心的碳基負極材料，以提升鋰電池的整體容量和充電速度。
 
       故而，這種電池正確的命名方式應為“摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池”，本質仍是鋰電池（因為使用量最大的核心正極材料未發(fā)生變化），而不是石墨烯電池。
圖2：石墨烯概念圖。來源：百度百科
 
02
有水分但并非不切實際
 
       歐陽院士的一盆冷水非常及時，因為廣汽所稱的“1000公里高續(xù)航”與“10分鐘快充技術”均存在一定水分，而且受制于現(xiàn)實產業(yè)鏈的配套設施不健全難以短期鋪開。
 
       但理性地說，廣汽前瞻發(fā)布的這項“摻雜石墨烯的鋰電池”，并非不切實際，“脫水”之后仍有較強的可行性與市場空間。
 
       【1】先說水分：“摻雜石墨烯的鋰電池”仍屬于過渡技術，性能提升存在天花板。
 
       我們幾乎可以斷定，在廣汽版“摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池””中，石墨烯的作業(yè)是作用導電劑，以減小抗阻性、提升充放電的倍率性，即主要用于提升充電速度。
 
       但對于對鋰離子電池來說，石墨烯作為導電劑附著于硅基復合負極材料中（或同樣作為導電劑附著于三元鋰電正極材料中），沒有辦法從根本上改變鋰離子電池的能量密度，在提升電池整體容量方面只起到輔助性作用。
 
       在提升電池容量（或稱能量密度）方面發(fā)揮主要作用的，是硅材料（納米硅）。也就是說，廣汽版“摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池”中，真正的主角是以納米硅為核心的復合型（其實引入納米硅后，石墨占比仍超過納米硅）負極材料。
 
       真正以石墨烯為主體材料的動力電池，目前尚無法在實驗室中完全實現(xiàn)。故而，從截至目前的現(xiàn)實路徑上看，固態(tài)電池的前景（以特斯拉4680無極耳電池為代表）還是要明顯優(yōu)于“摻雜石墨烯的鋰電池”，后者只屬于一種過渡技術。
 
       一言以蔽，廣汽所稱的“石墨烯電池”，最核心突破還在于“一核兩殼”結構工藝（下文會具體說）的硅基復合型負極材料技術；但鑒于掌管鋰電池核心性能指標的還是正極材料，所以這項技術在電池性能提升方面存在顯著天花板。
 
       【2】再說現(xiàn)實意義：廣汽的硅基復合型負極材料技術工藝以及電池快充技術，擁有理論數(shù)據(jù)支持，有著較為現(xiàn)實的應用前景與競爭力。
 
       眾所周知的是，硅是目前已知比容量（4200mAh／g）最高的鋰離子電池負極材料，是石墨類負極材料的12倍多。故而，將納米硅引入鋰電池的負極材料中，部分替代石墨，理論上可以極大提升鋰電池的能量密度。
 
       目前，現(xiàn)有電動車的電池系統(tǒng)能量密度普遍為160wh/kg（比亞迪的漢EV電芯能量密度為170wh/kg，特斯拉model 3長續(xù)航版為161wh/kg），而廣汽基于硅基復合型負極材料技術的“摻雜石墨烯的鋰電池”，據(jù)說將能實現(xiàn)280wh/kg，即實現(xiàn)了57%的能量密度提升。
 
       如果事實如此，那意味著：參照160wh/kg能量密度所對應的600公里NEDC續(xù)航，廣汽“摻雜石墨烯的鋰電池”的確可以實現(xiàn)1000公里NEDC續(xù)航。當然，具體到真實續(xù)航，往往還需要打上6、7折。
 
       另外，關于這款電池的快充問題，目前有投資者質疑其是否噱頭大于實質。而來自廣汽集團方面的技術儲備則顯示，針對這個問題，它們的秘密武器是一項“包括殼體、液冷結構及設于所述殼體內的多個電芯模組”的動力電池系統(tǒng)實用新型專利技術。
 
       該系統(tǒng)也涉及石墨烯——在正極材料中也添加石墨烯作為導電劑。該系統(tǒng)的核心在于基于石墨烯導電劑的“一套降溫冷卻系統(tǒng)”，使內部溫度的一致性和安全性也能得到保障，進而確保搭載該系統(tǒng)的車輛可在10分鐘(6C)內完成快速充電。
圖3：不同材料的電阻系數(shù)與溫度系數(shù)，第一列為石墨烯。來源：百度百科
 
       這里簡單說下什么是6C快充：目前對于快充并沒有一個特別嚴格的定義，一般可以理解為在小于1小時內充電的制度(即充電速率大于1C)，以區(qū)別于慢充數(shù)小時級的充電。根據(jù)早期美國加州空氣資源委員會(CARB)的規(guī)定，電動汽車快速充電時間為10min(6C)。
 
       不過必須指出得是，快充技術在當前的實現(xiàn)，不僅取決于電池本身，更取決于高功率充電樁技術的推廣。這也在很大程度上，是一個產業(yè)鏈耦合問題，對中國的充電樁行業(yè)進一步的技術升級形成挑戰(zhàn)與機遇。
 
       最重要的是，廣汽這一電池技術，本身對于石墨烯的需求并不特別大，加之最近3年多基礎型石墨烯產品的售價大幅降低，所以僅就石墨烯而言，對于成本的制約并不突出。制約這項電池技術的主要成本以及難度，可能來自于電池設備及工藝。
 
       以上，因循謹慎性原則，鑒于固態(tài)電池或許至少要在2025年才能商業(yè)化，廣汽這一“摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池”如果能夠在一年內量產，還是很有競爭力的。
 
03
可以謹慎樂觀
 
       我們之所以對廣汽這一電池技術保持謹慎樂觀，原因不止是在技術路徑上存在差異化競爭窗口期，還在于它的相應自主核心技術確實擁有一定的技術優(yōu)越性。
 
       根據(jù)檢索可知，廣汽這一系列電池技術，研發(fā)已經(jīng)鋪陳4年以上。這從其相關發(fā)明專利申請時間可以回推——其核心專利申請至少可以追溯至2018年11月。
 
       更重要的是，通過對其相關核心專利的觀察可知，廣汽這項電池技術并不是憑空出現(xiàn)，本身也是因循電池技術發(fā)展規(guī)律而來——主要的技術進步并不在于石墨烯或納米硅等材料的引入，而是其“一核兩殼”技術工藝。
 
       所謂“一核兩殼”工藝，具體來說是指其硅基復合負極材料結構，包括內核、第一殼層和第二殼層：
 
       ■內核包括硅碳復合材料（滿足高克容量及高功率密度鋰離子電池）；
       ■第一殼層包括無定形碳層（用于提升導電性，約束內核的體積膨脹改善嵌鋰的均勻性）；
       ■第二殼層包括導電聚合物層（石墨烯所在之處，具有較好的韌性，充放電過程中避免無定形碳層開裂的現(xiàn)象，有利于形成穩(wěn)定的固體電解質膜，進而提升材料的循環(huán)穩(wěn)定性）。
 
       實際上，目前阻礙硅系負極材料大規(guī)模產業(yè)化應用的核心技術難點，就在于當負極添加的硅系活性材料較多時，通常會因為約束性不夠導致體積膨脹、碳層開裂，不足以形成穩(wěn)定的固體電解質膜，使得電池經(jīng)過超200次放電后性能迅速衰減至初始的70%以下。
 
       而廣汽這項“一核兩殼”工藝，則在一定幅度上針對性的有效處置了這個問題（見下圖）。
圖4：廣汽的“一核兩殼”式硅基負極結構，可以有效對抗電池衰減。來源：專利文件
 
       故而，至少從這項技術所測試并顯示出的紙面技術指標上，我們可以對廣汽“摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池”保持謹慎樂觀。
 
04
廣汽急什么？
 
       本文最后，我們再來推測下，作為一家國企性質的整車公司，廣汽為何會如此著急且高調地要在2021年元月，發(fā)布一項距離量產仍有較長時間（據(jù)官方稱最晚將于今年四季度量產）的動力電池技術？
 
       原因很可能來自競品以及股價的壓力：
 
       實際上，上汽聯(lián)合阿里此前發(fā)布得智己品牌汽車，同樣號稱將可實現(xiàn)1000公里NEDC續(xù)航。根據(jù)推測，該汽車電池涉及的技術路線同樣是“硅基負極鋰電池”。
 
       廣汽此番發(fā)聲，很像是一種“主權示威”——我們的技術是基于自主研發(fā)的核心專利，競品們或只能依賴寧德時代這樣的電池廠商（當然，廣汽的電池配套廠也是和寧德時代聯(lián)合成立運營的）。
圖5：廣汽已聯(lián)手寧德時代生產電池。來源：網(wǎng)絡。
 
       另外，作為中國老牌整車公司，過去一年多，新勢力們各種“PPT技術”引發(fā)的股價狂飆，可能也為廣汽提供了“參考樣板”，既往通過對于技術的宣示，提振股價、做大市值——這本身也是一種政治正確與需求。
 
       依據(jù)常識來說，相比于新勢力們的造勢，體制本身也決定了廣汽集團不會也不敢完全脫離實際地向外界制造噱頭。所以對于廣汽此番的高調，我們相信背后還是有充分的現(xiàn)實準備的——而這，某種意義上也是我們對其“摻雜石墨烯的硅基負極鋰電池”保持謹慎樂觀的理由之一。
 
       只不過無論如何，通過以上的揭示，我們可以基本確認廣汽上周五對外發(fā)布的文案中關于“石墨烯電池”的說法確實是較為不準確的，存在誤導市場之嫌。這也很大程度反映出當前電動車市場領域“虛火過剩”，很值得投資者警惕。
 
(責任編輯：子蕊)
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