近年来，新能源汽车行业发展势头良好。2020年下半年新能源汽车市场强势复苏，产销情况远超预期。2021年开年，更是延续火爆行情，这强劲的发展势头，让许多人大呼意料之外。随着生态意识和生活方式的转变，越来越多的人们开始接受和选择新能源汽车，这也是多年来国家积极推广发展的结果。在政策和市场的双重驱动下，新能源汽车销量不断走高，同时也对汽车的安全、续航和充电性能有了更高的要求。新能源汽车用的动力电池一直是电池领域的研究重点和热点，近年来实验室以及各大企业在磷酸铁锂电池、三元锂电池和固态锂电池等领域都有一定的发展，还有采用热门的石墨烯作为电极材料的石墨烯超级电池也吸引了大量的关注。下面将简要介绍市面上推出的几款新型电池技术，分析新能源汽车是否迎来了革命性的超级电池技术，超级快充以及超长续航的安全新能源电动汽车能否走进人们的生活。

广汽称其发布的全新动力电池为石墨烯基超级快充电池，而不是真正的以石墨烯为电极材料的电池。石墨烯基电池的全称应该叫做石墨烯基锂离子电池，本质就是往锂离子电池的正极材料里加入石墨烯，用作导电剂。原本锂离子电池里的导电剂是石墨，而石墨烯在常温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2/V·s，石墨烯优良的导电性能能够大大提高电池的充放电速率。

锂离子电池在电池充放电的过程中，都是通过锂离子在正负极的往返嵌入和脱嵌来实现导通，如下图所示。锂离子电池充放电速度取决于锂离子在电极中的传输和脱嵌速度。石墨烯具有优异的电子和离子传导性能及特殊的二维单原子层结构，二维的平面结构使其可与电极材料颗粒间形成点-面接触。因此将石墨烯作为导电剂添加到锂离子电池中，石墨烯可将电极材料颗粒均匀包裹从而形成有效的导电网络，进而大幅度提升锂离子电池充放电速度。良好的点-面接触还能通过进一步降低接触电阻，来提高电池的功率密度。

锂离子电池的命名通常来源于电池的正极材料，例如三元锂电池、磷酸铁锂电池等，那么真正的石墨烯电池应该就是以石墨烯为正极材料的电池。此前，西班牙一家以工业规模生产石墨烯的Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学合作，称其研究出首例石墨烯聚合材料电池, 其储电量是目前市场最好产品的三倍, 若用此电池提供电力，电动车最多能行驶1000 公里, 而其充电时间不到8分钟。石墨烯聚合材料电池的成本将比锂电池低77%, 重量也仅为传统电池的一半。但这块电池的实用发展阶段还在纽扣电池，将纽扣电池的性能直接导入到汽车电池性能，最多只能是实验室数据。目前电动汽车用的石墨烯电池还停留在实验室阶段，仍然存在许多技术问题需要解决，并且石墨烯制备成本较高，是普通锂电池材料的数十倍不止，使其难以大规模量产，石墨烯电池真正地走向应用还需要更多的时间。

1月9日，蔚来在NIO DAY上发布了150kWh的固态电池，能量密度高达360Wh/kg，能量密度提升50%，该大容量电池将于2022年第四季度交付。基于该能量密度的电池，蔚来ET7的NEDC续航里程可突破1000公里。后来蔚来解释该电池实际上为半固态电池，仍需使用电解液、隔膜，这样的半固态电池是全固态锂电池的过渡形态。这次蔚来的半固态电池的技术点在于固液电解质技术（原位固化），在电解质和正负极材料之间建立了安全稳固的界面。真正用来提升电池能量密度的措施还是无机预锂化工艺的高性能硅碳负极，以及纳米级包覆工艺的超高镍正极，这些也是目前液态电解质电池提升能量密度的主流方向，半固态构造为能量密度的提高提供了安全保障。

目前新能源车广泛使用的动力锂电池，是由正极材料、负极材料、电解液和隔膜四大部分组成。隔膜一般只能耐140~160°C，容易发生热失控；电解液是聚合物液体，是易燃高分子，因此这样的构造存在一定的安全隐患。同时在寒冷情况下，锂离子的活性降低，汽车的续航里程受到很大的影响。全固态电池去除了电解液和隔膜，使用固态电解质，能够提升电池的安全性。半固态电池则是在保留电解液、隔膜的基础上，添加固态电解质，理论上可以提升电池的热稳定性和安全性。另外，由于去除了电解液、隔膜，固态电池具有更高的理论能量密度，这也意味这更高的续航里程可能性。固态电池的工作原理依旧是锂离子在正负极的嵌入和脱嵌反应，根据电解质的不同可以分为聚合物以及无机（氧化物，硫化物）固态电池，提升电解质的离子传导性是重要研究方向。真正的全固态锂离子电池还有许多问题需要攻克，距离它的实际应用仍然有一段路需要走。

图1 无机固态锂电池(a)；聚合物固态锂电池(b)示意图[3]

石墨烯在储能领域另外一个重要的应用就是石墨烯基的超级电容器。2019年5月，特斯拉收购超级电容器制造商麦克斯韦技术公司（Maxwell Technologies），正是看重其先进的超级电容器技术。超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。超级电容器基本原理是利用多孔电极和电解质组成的双电层结构来获得超大的容量，根据储能机理不同可以分为：双电层电容和法拉第电容。双电层电容器是一种通过将电荷物理地存储在电极/电解质界面实现能量储存的超级电容器, 是工业中应用最广泛的电容器；法拉第电容器是通过电极活性物质 (过渡金属氧化物或导电聚合物) 发生高度可逆的化学吸附脱附或者氧化还原反应而实现能量储存的。与二次电池相比，超级电容器的特点主要体现在功率密度高、循环寿命长等方面，但其缺点主要体现在能量密度低，仅为锂离子电池30%左右。

图2 石墨烯超级电容器示意图

图片来源：百度百科

影响双电层电容器性能的几个重要因素是：比表面积，导电性，和孔径大小及分布。由于石墨烯独特的二维结构和出色的物理特性，诸如异常高的导电性和大表面积，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。超级电容器具有极快的充放电速率，但能量密度尚不及锂电池，目前在新能源汽车的应用主要在动能回收系统中。在动能回收系统与电池之间加上超级电容，则动能回收的电力可以被大量的储存从而减少浪费，这些电量在收集贮存后用以驱动车辆行驶则能更有效地降低电耗提升续航。此前，Skeleton Technologies和德国卡尔斯鲁厄理工学院研发的新型突破性石墨烯电池，称其能够在15秒内充满电，而且在数十万次充放电循环后都不会退化，正是将石墨烯超级电容器锂离子电池相结合，以达到两者优势兼得的效果。超级电容器可以成为锂离子电池的理想补充技术，从而使新能源汽车实现更为理想的动能管理。超级电容器另外的一个实际应用就是纯电容的电动公交车，电容器的储能特点非常适合公交车频繁的启停以及固定的行驶距离，利用公交站的瞬时充电即可完成一站路程的行驶。随着超级电容器技术的继续发展和完善，若基于石墨烯的超级电容器可以存储几乎与锂离子电池一样多的能量，且能够在几秒钟内完成充电和放电，并将所有这些保持在数万次充电循环中，则超级电容器有望代替二次电池应用于新能源汽车。

图3 纯电容电动公交车

图片来源：搜狐

总的来看，现在来谈石墨烯电池还为时过早。但不能否认的是，石墨烯具有优良的导电性（电子迁移率高达1.5×104 cm2/V·s）以及导热性能（大于 3×103W/m·K），将其应用于锂离子电池体系有利于提高其充放电以及散热性能。目前的石墨烯基锂离子电池的研究，对于超级快充技术的发展具有重要的意义。针对新能源汽车的超长续航，高性能硅碳负极、纳米级包覆以及超高镍正极等技术才是提高锂离子电池能量密度的主流方向。当然，半固态和全固态的锂离子电池也是极具现实意义的研究，在提高能量密度的同时，我们也需要更安全稳定的电池体系。石墨烯应用于超级电容器的研究仍然在发展阶段，将其快速的充放电特性与锂电池联用，可以让汽车实现更为高效的动能管理。无论是市场翘首以待的石墨烯电池，还是能量密度大大提高的石墨烯超级电容器，都是足以颠覆以及替代目前锂离子电池体系的超级电池技术，希望在不久的将来，它们能够为我们带来全新的新能源汽车。