作者:陈彬 黄辛 李厚锐 来源:中国科学报 发布时间:2017/12/5 9:29:02
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上海交通大学:为新能源革命“快充续航”

 

■本报记者 陈彬 黄辛 通讯员 李厚锐

郭守武(右)与研究人员正在通宵做实验。

“充电5分钟,通话2小时”“随取随用,轻松出行”……随着生活节奏的日益加快,人们开始对二次充电时长提出更高的要求,对有限时间内效益最大化的期待,致使科研界和工业界一直在努力向着快充快放二次锂离子电池方向努力。

近年来,我国开始大力发展动力电池和共享交通等相关产业,中国的动力型锂离子电池相关行业也迅速发展,快充快放二次电池开始为大家所熟悉。

上海交通大学郭守武团队通过近十年的研究,攻克多项科研和技术难关,在2017年工博会上推出了最新研发成功的“新型石墨烯及石墨烯基锂离子电池”,为 “快充续航”的新能源革命奠定了坚实的基础。

黑金科技:用石墨烯助力电池快充

科技革新从未止步,石墨烯技术的出现开启了“快充快放锂离子电池”的新纪元。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最好的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”“新材料之王”。石墨烯作为一种新型低维碳材料,凭借其优异的导电性能,可以提升相应电极材料的电导率,进而改善其充放电和循环性能;同时,石墨烯“柔韧”的三维网络状结构又可有效抑制电极材料在充放电过程中因体积变化引起的材料膨胀、粉化与聚并,并增强与集流体和电解液之间的导电接触。因此,石墨烯能够改进锂电池正负极材料的电化学性能,进而极大地改善锂电池的大电流充放电性能、循环稳定性和安全性。

“在锂离子电池充放电循环时,为保持电荷平衡,电子的迁移必然伴随Li+的嵌入或脱出。若电子不能及时导入或导出,富集的电子将通过极化效应反过来限制Li+的嵌入和脱出,使得材料电化学性能恶化。”郭守武在谈及“快充快放”电池的研发情况时表示,“受制于传统电池材料导电性能较低的问题,锂离子电池更大功率的输入/出其实并不容易实现。”

据悉,郭守武团队在单层氧化石墨烯以及石墨烯的制备、分离和纯化技术方面取得了突破性进展,探索了从石墨烯宏量制备技术的开发、应用研究到产品落地的产业化推广之路。通过石墨烯包裹锂离子电池正负极材料,有效地提高了电池材料的导电性能,并成功实现了其在锂电行业的产业化应用,超闪快充的神话在一夕之间成为了可能。同时,结合先进的电池成组技术与电池管理系统,与上海碳源汇谷新材料科技有限公司、东旭光电科技股份有限公司共同开发出了以石墨烯快充快放锂离子电池为基础的“烯王”移动电源系列产品及动力电池模组。产品具有充放电速度快、循环寿命长、绿色环保等优点,被广泛应用于电动自行车、储能系统、电动汽车等多领域,实现了快速充放电锂离子电池的生产和商业化。

五大特点:新型电池开启能源革命

更短的充电时间已经成为人们使用智能手机、移动电源、电动车充电过程中的刚需,能否提高电池材料的导电性能是提高其快速充放电性能的重要途径。郭守武团队研发的新型石墨烯及石墨烯基锂离子电池解决了快充快放问题,并兼具了安全可靠、绿色环保、造型时尚等五大特点。

石墨烯基锂离子快充快放锂离子电芯采用石墨烯包覆磷酸铁锂技术,可以更快速地实现充放电功能。过去,充满5000mAh需要3.5小时,现在只需15分钟。即使你前一天晚上忘了给移动电源蓄电也没有关系,清晨刷牙洗脸吃早餐的时间,你的移动电源就能满血复活。

实验表明,采用新型材料石墨烯可实现锂离子电池与环境间的高效散热。在同等工作参数下,石墨烯基高温锂离子电池的温升比普通锂离子电池降低5℃;60°C高温循环2000次,容量保持率仍超过80%。由郭守武团队开发的采用石墨烯基快充快放锂离子电池的“烯王”一代二代移动电源,电池上限使用温度提高了10℃,可在-30~80℃的环境下自由工作。“烯王”动力电池温度适用范围为-20~45℃。因此,即使在海拔2000米以上的高原地区使用,它们的充放电性能也依然稳定。

烯王石墨烯基锂离子电池产品在极其稳定的石墨烯基正极材料保障高容量、长时间放电、久用、耐用的同时,均设定了过充保护、过放保护、过温保护、过流保护、短路保护等安全保护功能,保障电芯和电池的稳定及安全,免去人们在电池使用过程中的后顾之忧。

烯王二代移动电源配备智能休眠技术,不浪费每一分电量,合上支架自动断电,更设置了节能方便的护眼LED台灯,采用霍尔器件方式开启与关闭,做到真正的一充两用。同时,烯王全套电池产品均不含有铅、汞、卤化物等有害物质,对环境十分友好,可谓真正的绿色能源。

为新能源革命“充电续航”

近年来,新能源汽车的发展如火如荼。相比于传统燃油车几分钟加满油,新能源汽车充满电则需要几个小时,在充电桩尚未“遍地开花”的前提下,快充技术便成为了影响电动汽车快速普及的重要因素之一,而快充电池也成为动力锂离子电池的又一发展方向。

同时,郭守武团队与上海碳源汇谷及东旭光电开展了产学研合作,完成了石墨烯技术及其相关的应用研究,开创了国内快充/快放锂离子的新时代,真正实现了15分钟超闪快充和高度安全,站在了快充电池产业的制高点。目前,烯王二代移动电源自上市以来获得了市场的强烈反响,烯王自行车用石墨烯基快充锂离子电池也已成功与享骑单车等共享单车企业展开项目合作,实现规模化生产。未来,进军新能源汽车领域,在现有产业基础上进一步深化产业链的延伸,将成为郭守武团队下一个坚定的目标。

《中国科学报》 (2017-12-05 第8版 科创)
 
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