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鋰電池迎來“碳”時代:石墨烯效力驚人

發布時間: 2014-05-06 09:40:32    來源: 北極星智能電網在線
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[摘要]沒有震耳欲聾機器沖壓鋼板的聲音,也沒有火花四濺的汽車焊裝線,與常見的汽車裝配工廠完全不同,在德國一家知名汽車企業在萊比錫的電動汽車制造工廠,記者見到的是另一番景象。

沒有震耳欲聾機器沖壓鋼板的聲音,也沒有火花四濺的汽車焊裝線,與常見的汽車裝配工廠完全不同,在德國一家知名汽車企業在萊比錫的電動汽車制造工廠,記者見到的是另一番景象。
這里生產的電動汽車,采用鋁合金做底盤、碳纖維做車身、塑料注塑件做蒙皮,沒有傳統的電焊工藝,車身是用特制的膠水粘起來的。這是一個沒有沖壓車間和焊接車間,完全采用新材料、新技術、新工藝生產新能源汽車的工廠。沒有噪聲的車間作為這家德國豪華車企的第一款純電動汽車,其裝配了一組22千瓦時的鋰離子電池和一臺電動機,最大功率170馬力,峰值扭矩250牛米。其最高車速可達150公里/小時,續航里程在150公里左右。這款電動車使用家用220V電源充電,8小時可充滿。而利用專用充電裝置下充電只需1個小時。與一些電動車采取與傳統能源車相同的制造工藝不同,這款車采用了大量新材料,其中最具看點的是用碳纖維材料制作的車身——其重量僅為鐵的四分之一,強度卻是鐵的10倍。通常情況下,車身自重約消耗70%的燃油,因此降低汽車油耗的首要問題就是減輕汽車自重。日本的碳纖維制造協會曾經做過一個關于碳纖維生命周期的測試,采用碳纖維加固的汽車因減輕了自身重量,不僅燃料應用效率極大提高,而且間接地降低二氧化碳排放。同時,還能提升電池的續航能力并降低電力消耗。這種碳纖維增強復合材料,由該汽車公司和德國西格里公司聯合開發,以基于聚丙烯腈的熱塑性紡織纖維為原材料,在一定的壓力和溫度下,轉化成極為細長的碳纖維絲線,最后再經過相應的氧化和碳化處理,形成碳纖維車身材料。
記者在萊比錫工廠車間里看到,車身的各個碳纖維部件單獨成型后,再用特制的膠水粘貼起來。機器人在嫻熟地涂抹膠水、自動更換涂膠水的海綿頭——沒有噪音、沒有火花。裝配車身使用的膠水也是特制的,可以快速硬化,僅僅用幾秒鐘就可以把兩個部件牢牢地粘合在一起。而這種膠水的配方至今還是機密。采用碳纖維車身和塑料蒙皮的這款純電動車安全性如何?萊比錫工廠方面介紹說,經過測試,其安全性能絲毫不遜色于傳統能源汽車,而且在行人保護方面更有意想不到的效果。未來豪華電動車的標配據日本東麗經營研究所統計數據,碳纖維的全球市場需求在2011年約為4萬噸,其中用于汽車的碳纖維為2000噸左右。而這一數字自2015年左右起將不斷擴大,到2020年將達到數萬噸。德國西格里公司是世界上最大的碳和石墨產品生產商,在汽車零部件供應領域具有重要的戰略地位,該公司在美國西雅圖擁有一家生產碳化纖維的合資公司。
2011年11月,寶馬汽車宣布購入西格里15.16%的股份,在之后不到一個月的時間內,寶馬又再度增持西格里15.7%的股份。2012年,寶馬宣布聯手美國波音航空公司共同開發碳纖維技術,分別用于各自的汽車和航空制造行業。2013年,美國《商業周刊》報道稱,寶馬在美國華盛頓州再度投資1億美元用于生產該公司電動車的碳纖維材料。在亞洲,日本東麗、豐田和東京大學等已經在聯手開發全面采用重量輕、強度高的碳纖維汽車,推進加工技術等的研究。預計最早到2020年,重量減輕6成、安全性更高的新能源汽車將全面投入實際應用。
據《日本經濟新聞》報道,向波音787客機提供碳纖維增強樹脂基復合材料的日本東麗集團,于2012年斥資近700億日元,收購了世界碳纖維排名第三的美國卓爾泰克公司,東麗藉此一躍成為全球最大的碳纖維供應商,將產品的全球份額提高到30%。目前,碳纖維的最大缺點是價格相對昂貴,是鋼鐵價格的數倍到數十倍,因此普及率低。東麗并購卓爾泰克,旨在開拓廉價碳纖維領域。在東麗的帶領下,全球第二大碳纖維廠商日本帝人和第四大廠商日本三菱麗陽,也已經開始擴大產能。
業內人士分析指出,碳纖維復合材料在汽車中應用的前景可期,特別是在豪華車和超豪華車的細分市場。碳系,“后摩爾時代”的接班者碳纖維只是碳系家族的一個成員,石墨烯也是碳系家族的一員。將石墨烯運用于鋰離子電池,充滿一次手機電池大概只需要5秒鐘;特斯拉純電動汽車,充一次電只需5分鐘左右。而由石墨烯片層卷曲形成的碳納米管,也是制造電動車電池的新材料之一。斯坦福的研究人員便成功實現了這一點,他們設計出新的納米結構,可以極大地增加可充電的次數,足以滿足很多商業應用。而沃爾沃汽車已成功研發出采用新蓄電材料的原型車。這種蓄電材料是由多層的碳纖維以及樹脂聚合物構成,每一夾層中又有納米結構的電池以及電容。用超級電容器板替代發動機蓋和扭力桿的組合,沃爾沃的工程師就能夠替換掉為車載電子供電的12伏電池,同時把重量減半。
碳的概念有多少吸引力?去年發生在英國的一種現象或許可以佐證。當時,英國金融監管機構曾發布警告稱,“可疑”的公司盯上了消費者,向他們兜售投資石墨烯的機會。在這一現象的背后,是石墨烯吸引了市場的炒作。事實上,石墨烯自被發現以來,迅速成為全球各國政府、科研機構和跨國企業竟相投入巨資開發的超級材料。歐盟委員會將石墨烯列為僅有的兩個“未來新興技術旗艦項目”之一,提供10億歐元用于資助石墨烯材料研究。
中國在《新材料產業“十二五”發展規劃》中明確提出積極開發石墨烯材料。海外媒體觀察指出,各國對于碳材料的關注立足點各不相同。美國致力于碳納米管的研究,而歐洲專注于石墨稀的實用化,中國則在碳納米管和石墨稀兩方面推進研發和實用化。在碳材料的納米技術方面,中國處于全球領先地位。有調查表明,擁有石墨稀相關專利數量最多的是中國,其次是美國和韓國。碳系的黃金時代已經到來,上個世紀,戈登˙摩爾大膽預言了硅的盛行,如今硅材料漸漸顯示出短板,碳開始成為“后摩爾時代”的接班者之一,成為各方資本和產業巨頭追逐的對象。而未來的汽車,將可能不再是鋼鐵造了。

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