石墨烯電池能帶來電動汽車革命？扯淡！

時間:2015-12-22 09:03來源:車聚網 作者:西顧
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        近日，一條新聞給電動車行業打了一針雞血，各大新聞媒體也因此興奮得嗷嗷叫：中科院上海硅酸鹽研究所發布消息稱，該所聯合北京大學、美國賓夕法尼亞大學展開持續攻關，已研制出一種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯，該材料具有極佳的電化學儲能特性，可用作電動車的“超強電池”，充電只需7秒鐘，即可續航35公里，相關研究成果已于12月18日發表在世界頂級期刊《科學》上。
 
        那么，這個新玩意是否能解決電動車續航力差和充電慢的瓶頸問題？我看未必。
 
什么是石墨烯電池？
 
        石墨烯電池其實并不是真正的電池，而是一種新材料超級電容。在此之前，超級電容已經廣泛應用于電動車、混動汽車和大功率輸出設備等領域，作為一種電化學儲能裝置，其性能介于傳統電容和電池之間，具有功率密度高，循環壽命長以及安全可靠等特點，但是能量密度卻是其最大的軟肋。
 
        為了解決這個問題，科研工作者只能在新材料上下功夫。經過多年研究，最后發現氮摻雜有序介孔石墨烯的性能表現最佳，不僅能實現高能量密度和高功率密度，而且還具有無毒環保，體積輕重量小，成本低廉易于規模生產，性能安全可靠，不易燃也不易爆等等優勢，實為超級電容之最佳材料，可謂是居家必備，老少咸宜……
 
         正因如此，氮摻雜有序介孔石墨烯超級電容無論是性能還是成本，都比目前實際應用的所有種類的電池更具優勢，且在快速充放電方面更是將鋰電池甩出幾條街，完全可以替代掉原先的電動車電池組成為新的儲能設備。所以，該超級電容被冠以“石墨烯電池”的名頭見諸各大媒體。
 
         然而就本質來說，石墨烯電池并不是真正的電池，如果說超級電容相當于電腦中的內存，電池相當于電腦中的機械硬盤，而石墨烯電池其實就相當于固態硬盤——盡管都有“儲存”上的功能體現以及儲存容量的限定，但就原理而言，固態硬盤和機械硬盤其實并不是一回事，固態硬盤的工作原理更接近于內存。
 
為何石墨烯不能帶來電動車革命？
 
         以特斯拉Model S為例，滿電理論續航里程480公里上下，電池容量為85千瓦時，可用快速充電方式在一小時內充滿電；而在快速充電條件下，充電樁的直流輸出高達125千瓦時，換句話說就是每小時耗電125度。好了明確了這一點之后，咱們再繼續往下掰扯小學水平的數學題。
 
         如果將特斯拉Model S的鋰電池全部更換為等容量的石墨烯電池，以“充電7秒鐘續航35公里”來計算，480公里的續航力只需充電96秒，這個時間不比普通汽車加油耗時慢——其實算上在加油站排隊和交費等時間，車主們會發現，自己進加油站加一次油的耗時不止96秒。
 
         1小時(3600秒)將特斯拉Model S充滿電，充電樁輸出是125千瓦時；97秒將特斯拉Model S充滿電，充電樁的輸出就是3600÷96×125=4687.5千瓦時，即1小時耗電4687.5度——強調一下，這還只是理論數值！
 
          85千瓦時的電池容量在1小時快充模式下耗電125千瓦時，損耗就高達47%(即125/85-100%=47%)，而在96秒內充電85千瓦時，其損耗絕對遠不止這么點，這對整個充電系統的散熱要求達到了一個極其變態的高度！
 
          好，就算中國有能力建造散熱能力極其變態的充電系統，咱們接著往下算：保守而言，高速公路上的服務區加油站都可以同時容納6輛車加油，以此為例，每個服務區都建立6個充電站，其負載將高達4687.5×6=28125千瓦時，這是一個什么概念呢？
 
          這么說吧，三峽電站總共有32臺70萬千瓦的水輪發電機，總裝機容量高達22,400,000千瓦，就算全負荷運轉，也只能承擔796個服務區的充電站用電量——如果考慮到實際充電損耗和輸變電損耗，這個數值將至少下降三分之一，約為530。
 
          我查了百度了一下關鍵字“高速公路服務區”，百度百科的結果是，截至2011年，全國高速公路服務區就超過1500個，現在相信遠不止這個數！這就意味著，一個三峽電站，只能負載全國三分之一的高速公路服務區充電站，若遇上冬季枯水期，這個負載就只能轉嫁給火電廠，如此一來，中國霧霾會不會加劇？大家自己想。
 
          再者，每個服務區的快速充電站負載高達28125千瓦時，這就意味著每個服務區都必須配套一個至少10KV的專用變電站，其建設費用大約在500萬元上下，這就意味著750億的資金缺口。我們再發散思維一下，如果以后電動車普及了，中國每個小區都有6輛“充電7秒鐘續航35公里”的電動車在車庫中停靠充電——其實一個小區6輛電動車并不算多，結果又當如何？結果太“美”，我不敢想象！
 
         這還不是最要命的，或許大部分時間電動車不會扎堆充電，但如果遇上個節假日，高速公路爆棚，每個服務區都有電動車扎堆排隊，又該怎么辦？其實每年節假日的服務區加油站都在上演這一幕，而且可以確信的是，電動車的車主在服務區都不會有耐心采用“慢充”模式，國家電網根本無法承受這種負載！好了，有人提議，為了保證國家電網不被壓垮，每個充電樁只能設定為960秒的快充模式，排隊長點就長點，這樣總該解決問題了吧？
 
         當然不行，我相信任何一個高校電氣工程專業的學生都會把說這種話的人拖出來打一頓！電氣工程中有一個術語叫“潮流分布”，就算用這種比原來慢10倍的方式集中充電，如此小范圍大負載且時段集中的用電行為，將會造成電網潮流分布的嚴重異常，會對國家電網形成致命打擊，中國會瞬間變成解放前的油燈社會。
 
         有人又說了，把充電時間再慢10倍，變成9600秒，這樣總該OK了吧？是的，OK了，9600秒，比兩個小時還多，如此一來，石墨烯電池的快速充電意義豈不是變成了然并卵？
 
  小結：
 
         綜上所述，電動車的充電其實不是一個單方面的技術，這就好比有人拿個水壺去水管下裝滿水，決定裝水速度的不單是容器的開口，而是水管的開口和流速。所以說，電動車的充電速度其實是由“兩個巴掌”來決定的，就算其中一個巴掌進化成高逼格的鈦合金巴掌，也是拍不響的。
 
         當然了，我寫這篇文章的目的并非是向在新材料領域做出突出貢獻的中國科學家們潑冷水，不管從任何一個角度說，如此偉大的科研成果都是值得我們尊敬和銘記的。我只是想說明，單憑一個“石墨烯”，解決不了電動車目前乃至未來所面臨的充電難題，純屬科普，絕無惡意。
 
         在我看來，反而是手機能最先享受到這一偉大科技帶來的便利，就算每個手機充電器做到20A的直流輸出，即充電速度比現在快20倍，也不會對家庭和電網的負荷造成任何不利影響。
 
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