起底广汽集团“石墨烯电池”真相

上周五(1月15日)末，广汽集团(SH:601238/HK:02238)“石墨烯电池”9月量产的消息引爆市场。当日，A/H市场广汽和a股均以涨停收盘，港股收盘上涨19.5%，成交额分别达到10亿元和37亿元。然而，市场的乐观情绪甚至没有持续24小时。在第二天举行的中国电动汽车百人会论坛上，院士高的话很快就给市场的热情泼了一盆冷水。他说:“如果有人说(这辆车)能跑1000公里，几分钟就能充满电，而且特别安全，成本也很低。你不必相信，因为这是不可能的。”图1:在“石墨烯电池”消息的带动下，广汽股价单日飙升。来源:百度“充电8分钟续航1000公里”和“续航1000公里”。广汽集团发布的「电池卫星」是什么？随着更多的业内人士加入讨论，进一步的官方解释以及我们在技术维度的研究，大致确定了三件事:1。广汽所谓“石墨烯电池”的说法并不准确，但也并非不切实际；2.石墨烯电池主要涉及一种电池负极技术:以石墨烯为导电添加剂的“硅基复合负极材料技术”。其中，在负极材料中添加石墨烯作为导电添加剂(不超过8%)，可以提高电池的高倍率充电性能，即有助于实现所谓的“1000公里充电8分钟”；基于“一核两壳”结构技术的“硅基锂离子负极”，可以提高电池的循环稳定性、结构密度和放电率，即实现所谓的“1000公里续航”。3.同时，该电池涉及一项快速充电技术:在使用石墨烯作为三元锂电池正极材料导电剂的基础上，使用一套冷却系统实现6C快速充电能力，即一项“1000公里充电8分钟”的技术。基于这一基本事实，我们的结论是，广汽所说的“石墨烯电池”的正确名称应该是“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”。这种电池技术并不新鲜，但在技术上有了很大的突破。电池宣传的性能参数虽然有水分，但也有很大的实现可能性。其实长期跟踪石墨烯技术的人都知道，这几天广汽发布的“石墨烯电池”卫星，本身就是一颗“老卫星”。早在2014年，一家名为Graphene Nano(中文意思是“石墨纳米”)的西班牙公司声称，它与科尔多瓦大学联合开发了世界上第一个石墨烯聚合物电池。在向外界介绍这款石墨烯电池时，石墨烯纳米使用的参数包括:◆能量密度超过600wh/kg(即每千克电池可产生0.6 kWh)。理论上500wh/kg可以实现1000公里的真实续航)；◇单次续航里程可高达1000公里；◆单次充满电仅需8分钟；使用寿命是锂电池的两倍。.....但遗憾的是，这项由石墨烯纳米和科尔多瓦大学牵头的实验室技术至今还没有出PPT，六年多了也没有落地。本质上，无论是2014年的石墨烯纳米还是2021年的GAC，他们所谓的“石墨烯电池”都是希望通过“核-壳”结构工艺实现石墨烯与硅的结合，作为一种新型硅基负极材料，部分替代以石墨为核的碳基负极材料，从而提高锂电池的整体容量和充电速度。所以这款电池正确的命名方法应该是“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”，本质还是锂电池(因为使用量最大的核心正极材料没有变)，而不是石墨烯电池。图2:石墨烯概念图。来源:百度百科02有水分，但也不是不切实际。欧阳院士的这盆冷水非常及时，因为无论是“1000 km高续航”还是广汽所谓的“10分钟快充技术”都有一定水分，而且由于现实产业链中配套设施不完善，很难在短时间内普及。但理性来说，未来广汽发布的“掺杂石墨烯的锂电池”并非不现实，“脱水”后仍有很强的可行性和市场空间。先说水分:“掺杂石墨烯的锂电池”还是过渡技术，性能提升存在天花板。我们几乎可以断定，在GAC版的“掺石墨烯的硅基负极锂电池”中，石墨烯的作用是作为导电剂降低电阻，提高充放电速率，也就是主要用于提高充电速度。但对于锂离子电池来说，石墨烯作为导电剂附着在硅基复合正极材料上(或者附着在三元锂电池正极材料上作为导电剂)，并不能从根本上改变锂离子电池的能量密度，只是对电池整体容量的提高起到辅助作用。在提高电池容量(或能量密度)方面起主要作用的是硅材料(纳米硅)。也就是说，在GAC版的“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”中，真正的主角是以纳米硅为核心的复合负极材料(其实引入纳米硅后，石墨的比例仍然超过纳米硅)。目前，以石墨烯为主要材料的动力电池还不能在实验室完全实现。所以，从至今的现实路径来看，固态电池(以特斯拉4680无极电池为代表)的前景明显好于“掺杂石墨烯的锂电池”，这只是一种过渡技术。总之，广汽“石墨烯电池”的核心突破在于“一核两壳”结构工艺的硅基复合负极材料技术(下面会详细介绍)；但鉴于正极材料仍然掌管着锂电池的核心性能指标，该技术在提升电池性能方面有着显著的天花板。[2]除了现实意义:广汽的硅基复合负极材料技术和电池快充技术有理论数据支撑，具有现实应用前景和竞争力。众所周知，硅是锂离子电池的负极材料，比容量最高(4200 mAh/g)，是石墨负极材料的12倍以上。因此，在锂电池正极材料中引入纳米硅部分替代石墨，理论上可以大大提高锂电池的能量密度。目前现有电动车的电池系统能量密度一般为160wh/kg(比亚迪的汉EV电芯能量密度为170wh/kg，特斯拉model 3长寿命版为161wh/kg)，而广汽基于硅基复合负极材料技术的“石墨烯掺杂锂电池”据说可以做到280wh/kg，即能量密度提升57%。如果是这样的话，那就意味着参照160wh/kg能量密度对应的600km NEDC续航，广汽的“石墨烯掺杂锂电池”确实可以做到1000km的NEDC续航。当然具体到真正的续航，往往需要打6、7折。另外，关于这款电池的快充，有投资者质疑噱头大于实质。来自广汽集团的技术储备显示，他们的秘密武器是一项动力电池系统实用新型专利技术，它包括一个外壳、一个液冷结构和多个设置在外壳内的电池模块。该系统还涉及石墨烯-石墨烯也作为导电剂添加到阴极材料中。该系统的核心是一套基于石墨烯导电剂的冷却系统，可以保证内部温度的一致性和安全性，进而保证搭载该系统的车辆可以在10分钟(6C)内完成快速充电。图3:不同材料的电阻系数和温度系数。第一列是石墨烯。来源:百度百科这里简单介绍一下什么是6C快充:目前快充还没有特别严格的定义，一般可以理解为1小时以内充电(即充电速率大于1C)的系统，不同于慢充几个小时的充电。根据加州空气资源委员会(CARB)早期的规定，电动汽车的快充时间为10min(6C)。但必须指出的是，目前快充技术的实现不仅取决于电池本身，还取决于大功率充电桩技术的普及。这在很大程度上也是一个产业链耦合问题，为我国充电桩行业的进一步技术升级带来了挑战和机遇。最重要的是电池技术GAC对石墨烯要求不是特别高。此外，近三年来石墨烯基础产品价格大幅降低，因此仅对于石墨烯而言，成本约束并不突出。制约这种电池技术的主要成本和难点可能来自电池设备和技术。以上，出于谨慎原则，鉴于固态电池可能至少要到2025年才能商用，GAC这种“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”如果能在一年内量产还是很有竞争力的。我们可以谨慎乐观。我们之所以谨慎看好广汽作为电池技术，不仅是因为技术路径上存在差异化竞争窗口，而且其对应的自主核心技术确实具有一定的技术优势。据搜索，广汽的这一系列电池技术已经发展了4年多。这可以从其相关发明专利申请的时间上往后推——其核心专利申请至少可以追溯到2018年11月。更重要的是，通过对其相关核心专利的观察，可以看出广汽的电池技术并非凭空出现，而是本身遵循了电池技术的发展规律——主要的技术进步并不是石墨烯或纳米硅的推出，而是其“一核两壳”技术。所谓“一芯两壳”工艺特指其硅基复合阳极垫……ial结构，包括内核、第一壳层和第二壳层:■内核包括硅碳复合材料(高克容量、高功率密度的锂离子电池)；■第一壳层包括无定形碳层(用于改善导电性、抑制内核的体积膨胀和改善锂嵌入的均匀性)；■第二壳层包括导电聚合物层(石墨烯所在的位置具有良好的韧性，避免了充放电过程中无定形碳层的开裂，有利于形成稳定的固体电解质膜，从而提高材料的循环稳定性)。事实上，目前阻碍硅基负极材料大规模工业化应用的核心技术难点是，当负极中加入更多的硅基活性材料时，通常会因约束不足而体积膨胀，碳层开裂，不足以形成稳定的固体电解质膜，以至于电池在200次以上放电后性能迅速衰减至70%以下。广汽的“一核两壳”工艺在一定程度上有效解决了这个问题(见下图)。图4:广汽“一核两壳”硅基阳极结构，能有效抵抗电池衰减。来源:专利文献因此，至少从这项技术测试和展示的纸面技术指标来看，可以对广汽的“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”持谨慎乐观态度。广汽急什么？在本文的最后，我们来推测一下，作为国有整车企业的广汽，为什么会如此着急，如此高调地在2021年1月发布一款动力电池技术，而这款技术距离量产还有很长的一段时间(据官方透露，最迟会在今年第四季度量产)。原因很可能来自于竞品和股价的压力:事实上，SAIC和阿里此前发布的智极牌汽车也宣称可以实现1000 km NEDC续航。据推测，这款汽车电池涉及的技术路线也是“硅基负极锂电池”。广汽这次的发声就像是一次“主权示威”——我们的技术是基于自主研发的核心专利，竞争对手可能只能依靠像当代安普科技有限公司这样的电池厂商(当然，广汽的电池配套工厂也是与当代安普科技有限公司共同建立和运营的)。图5:广汽与当代安培科技有限公司联手生产电池。来源:网络。此外，作为国内老牌汽车企业，新势力的各种“PPT技术”在过去一年多造成的股价暴涨，或许也为广汽提供了“参考范本”。过去通过公布技术，提振股价，放大市值，也是一种正确和需求。按照常理，相比新势力，体制本身也决定了广汽集团不会也不敢对外制造完全脱离实际的噱头。所以，对于广汽这次的高调，我们相信背后还是有充分的现实准备的——而这，从某种意义上来说，也是我们谨慎看好其“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”的原因之一。但无论如何，通过以上披露，我们基本可以确认，上周五广汽发布的文案中关于“石墨烯电池”的说法确实不准确，涉嫌误导市场。这也在很大程度上反映了目前电动车市场的“虚火过剩”，值得投资者警惕。最后指出，本文涉及的技术方面较多，错误和遗漏在所难免。不足之处，请留言指出并讨论。上周五(1月15日)末，广汽集团(SH:601238/HK:02238)“石墨烯电池”9月量产的消息引爆市场。当日，A/H市场广汽和a股均以涨停收盘，港股收盘上涨19.5%，成交额分别达到10亿元和37亿元。然而，市场的乐观情绪甚至没有持续24小时。在第二天举行的中国电动汽车百人会论坛上，院士高的话很快就给市场的热情泼了一盆冷水。他说:“如果有人说(这辆车)能跑1000公里，几分钟就能充满电，而且特别安全，成本也很低。你不必相信，因为这是不可能的。”图1:在“石墨烯电池”消息的带动下，广汽股价单日飙升。来源:百度“充电8分钟，持续……00公里”和“持续1000公里”。广汽集团发布的「电池卫星」是什么？随着更多的业内人士加入讨论，进一步的官方解释以及我们在技术维度的研究，大致确定了三件事:1。广汽所谓“石墨烯电池”的说法并不准确，但也并非不切实际；2.石墨烯电池主要涉及一种电池负极技术:以石墨烯为导电添加剂的“硅基复合负极材料技术”。其中，在负极材料中添加石墨烯作为导电添加剂(不超过8%)，可以提高电池的高倍率充电性能，即有助于实现所谓的“1000公里充电8分钟”；基于“一核两壳”结构技术的“硅基锂离子负极”，可以提高电池的循环稳定性、结构密度和放电率，即实现所谓的“1000公里续航”。3.同时，该电池涉及一项快速充电技术:在使用石墨烯作为三元锂电池正极材料导电剂的基础上，使用一套冷却系统实现6C快速充电能力，即一项“1000公里充电8分钟”的技术。基于这一基本事实，我们的结论是，广汽所说的“石墨烯电池”的正确名称应该是“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”。这种电池技术并不新鲜，但在技术上有了很大的突破。电池宣传的性能参数虽然有水分，但也有很大的实现可能性。其实长期跟踪石墨烯技术的人都知道，这几天广汽发布的“石墨烯电池”卫星，本身就是一颗“老卫星”。早在2014年，一家名为Graphene Nano(中文意思是“石墨纳米”)的西班牙公司声称，它与科尔多瓦大学联合开发了世界上第一个石墨烯聚合物电池。在向外界介绍这款石墨烯电池时，石墨烯纳米使用的参数包括:◆能量密度超过600wh/kg(即每千克电池可产生0.6 kWh)。理论上500wh/kg可以实现1000公里的真实续航)；◇单次续航里程可高达1000公里；◆单次充满电仅需8分钟；使用寿命是锂电池的两倍。.....但遗憾的是，这项由石墨烯纳米和科尔多瓦大学牵头的实验室技术至今还没有出PPT，六年多了也没有落地。本质上，无论是2014年的石墨烯纳米还是2021年的GAC，他们所谓的“石墨烯电池”都是希望通过“核-壳”结构工艺实现石墨烯与硅的结合，作为一种新型硅基负极材料，部分替代以石墨为核的碳基负极材料，从而提高锂电池的整体容量和充电速度。所以这款电池正确的命名方法应该是“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”，本质还是锂电池(因为使用量最大的核心正极材料没有变)，而不是石墨烯电池。图2:石墨烯概念图。来源:百度百科02有水分，但也不是不切实际。欧阳院士的这盆冷水非常及时，因为无论是“1000 km高续航”还是广汽所谓的“10分钟快充技术”都有一定水分，而且由于现实产业链中配套设施不完善，很难在短时间内普及。但理性来说，未来广汽发布的“掺杂石墨烯的锂电池”并非不现实，“脱水”后仍有很强的可行性和市场空间。先说水分:“掺杂石墨烯的锂电池”还是过渡技术，性能提升存在天花板。我们几乎可以断定，在GAC版的“掺石墨烯的硅基负极锂电池”中，石墨烯的作用是作为导电剂降低电阻，提高充放电速率，也就是主要用于提高充电速度。但对于锂离子电池来说，石墨烯作为导电剂附着在硅基复合正极材料上(或者附着在三元锂电池正极材料上作为导电剂)，并不能从根本上改变锂离子电池的能量密度，只是对电池整体容量的提高起到辅助作用。在提高电池容量(或能量密度)方面起主要作用的是硅材料(纳米硅)。也就是说，在GAC版的“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”中，真正的主角是以纳米硅为核心的复合负极材料(其实引入纳米硅后，石墨的比例仍然超过纳米硅)。目前，以石墨烯为主要材料的动力电池还不能在实验室完全实现。所以，从至今的现实路径来看，固态电池(以特斯拉4680无极电池为代表)的前景明显好于“掺杂石墨烯的锂电池”，这只是一种过渡技术。总之，广汽“石墨烯电池”的核心突破在于“一核两壳”结构工艺的硅基复合负极材料技术(下面会详细介绍)；但鉴于正极材料仍然掌管着锂电池的核心性能指标，该技术在提升电池性能方面有着显著的天花板。[2]除了现实意义:广汽的硅基复合负极材料技术和电池快充技术有理论数据支撑，具有现实应用前景和竞争力。众所周知，硅是锂离子电池的负极材料，比容量最高(4200 mAh/g)，是石墨负极材料的12倍以上。因此，在锂电池正极材料中引入纳米硅部分替代石墨，理论上可以大大提高锂电池的能量密度。目前现有电动车的电池系统能量密度一般为160wh/kg(比亚迪的汉EV电芯能量密度为170wh/kg，特斯拉model 3长寿命版为161wh/kg)，而广汽基于硅基复合负极材料技术的“石墨烯掺杂锂电池”据说可以做到280wh/kg，即能量密度提升57%。如果是这样的话，那就意味着参照160wh/kg能量密度对应的600km NEDC续航，广汽的“石墨烯掺杂锂电池”确实可以做到1000km的NEDC续航。当然具体到真正的续航，往往需要打6、7折。另外，关于这款电池的快充，有投资者质疑噱头大于实质。来自广汽集团的技术储备显示，他们的秘密武器是一项动力电池系统实用新型专利技术，它包括一个外壳、一个液冷结构和多个设置在外壳内的电池模块。该系统还涉及石墨烯-石墨烯也作为导电剂添加到阴极材料中。该系统的核心是一套基于石墨烯导电剂的冷却系统，可以保证内部温度的一致性和安全性，进而保证搭载该系统的车辆可以在10分钟(6C)内完成快速充电。图3:不同材料的电阻系数和温度系数。第一列是石墨烯。来源:百度百科这里简单介绍一下什么是6C快充:目前快充还没有特别严格的定义，一般可以理解为1小时以内充电(即充电速率大于1C)的系统，不同于慢充几个小时的充电。根据加州空气资源委员会(CARB)早期的规定，电动汽车的快充时间为10min(6C)。但必须指出的是，目前快充技术的实现不仅取决于电池本身，还取决于大功率充电桩技术的普及。这在很大程度上也是一个产业链耦合问题，为我国充电桩行业的进一步技术升级带来了挑战和机遇。最重要的是电池技术GAC对石墨烯要求不是特别高。此外，近三年来石墨烯基础产品价格大幅降低，因此仅对于石墨烯而言，成本约束并不突出。制约这种电池技术的主要成本和难点可能来自电池设备和技术。以上，出于谨慎原则，鉴于固态电池可能至少要到2025年才能商用，GAC这种“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”如果能在一年内量产还是很有竞争力的。我们可以谨慎乐观。我们之所以谨慎看好广汽作为电池技术，不仅是因为技术路径上存在差异化竞争窗口，而且其对应的自主核心技术确实具有一定的技术优势。据搜索，广汽的这一系列电池技术已经发展了4年多。这可以从其相关发明专利申请的时间上往后推——其核心专利申请至少可以追溯到2018年11月。更重要的是，通过对其相关核心专利的观察，可以看出广汽的电池技术并非凭空出现，而是本身遵循了电池技术的发展规律——主要的技术进步并不是石墨烯或纳米硅的推出，而是其“一核两壳”技术。所谓“一芯两壳”工艺特指其硅基复合阳极垫……ial结构，包括内核、第一壳层和第二壳层:■内核包括硅碳复合材料(高克容量、高功率密度的锂离子电池)；■第一壳层包括无定形碳层(用于改善导电性、抑制内核的体积膨胀和改善锂嵌入的均匀性)；■第二壳层包括导电聚合物层(石墨烯所在的位置具有良好的韧性，避免了充放电过程中无定形碳层的开裂，有利于形成稳定的固体电解质膜，从而提高材料的循环稳定性)。事实上，目前阻碍硅基负极材料大规模工业化应用的核心技术难点是，当负极中加入更多的硅基活性材料时，通常会因约束不足而体积膨胀，碳层开裂，不足以形成稳定的固体电解质膜，以至于电池在200次以上放电后性能迅速衰减至70%以下。广汽的“一核两壳”工艺在一定程度上有效解决了这个问题(见下图)。图4:广汽“一核两壳”硅基阳极结构，能有效抵抗电池衰减。来源:专利文献因此，至少从这项技术测试和展示的纸面技术指标来看，我们可以对广汽的“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”持谨慎乐观态度。广汽急什么？在本文的最后，我们来推测一下，作为国有整车企业的广汽，为什么会如此着急，如此高调地在2021年1月发布一款动力电池技术，而这款技术距离量产还有很长的一段时间(据官方透露，最迟会在今年第四季度量产)。原因很可能来自于竞品和股价的压力:事实上，SAIC和阿里此前发布的智极牌汽车也宣称可以实现1000 km NEDC续航。据推测，这款汽车电池涉及的技术路线也是“硅基负极锂电池”。广汽这次的发声就像是一次“主权示威”——我们的技术是基于自主研发的核心专利，竞争对手可能只能依靠像当代安普科技有限公司这样的电池厂商(当然，广汽的电池配套工厂也是与当代安普科技有限公司共同建立和运营的)。图5:广汽与当代安培科技有限公司联手生产电池。来源:网络。此外，作为国内老牌汽车企业，新势力的各种“PPT技术”在过去一年多造成的股价暴涨，或许也为广汽提供了“参考范本”。过去通过公布技术，提振股价，放大市值，也是一种正确和需求。按照常理，相比新势力，体制本身也决定了广汽集团不会也不敢对外制造完全脱离实际的噱头。所以，对于广汽这次的高调，我们相信背后还是有充分的现实准备的——而这，从某种意义上来说，也是我们谨慎看好其“石墨烯掺杂硅基负极锂电池”的原因之一。但无论如何，通过以上披露，我们基本可以确认，上周五广汽发布的文案中关于“石墨烯电池”的说法确实不准确，涉嫌误导市场。这也在很大程度上反映了目前电动车市场的“虚火过剩”，值得投资者警惕。最后指出，本文涉及的技术方面较多，错误和遗漏在所难免。不足之处，请留言指出并讨论。

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