科普追”新”|石墨烯如何按下充电”快进键”

甬派君有话说

在宁波全力打造高水平创新型城市的进程中，一批突破性的前沿科技成果不断涌现，创新的脉动正重塑着这座城市的产业肌理与人文温度。

如何让硬核科技“破圈”对话大众？宁波市科学技术协会联合甬派客户端共同推出《科普追“新”》系列节目，聚焦新兴产业领域，破译创新密码，让深奥的前沿科技转化为触手可及的生活图景。

制图：陈思佳

手机电量在关键时刻亮起红灯、新能源汽车在高速服务区充电桩前一等就是一小时……你是否也经常遇到这样的“电量焦虑”？

别急，治愈“电量焦虑”的良方来了！

今年八月，宁波富理电池材料科技有限公司（以下简称“宁波富理”）与国家石墨烯创新中心合作建设的年产300吨石墨烯复合硅碳负极材料中试线正式投产。

这意味着，能让电池能量密度超过400Wh/kg的“超级材料”，已经从实验室走向了产业化，有望为充电按下“快进键”。

记者走进这条生产线，只见精密管道与自动化设备低鸣运转，它们“吃”进去的是普通原料，“吐”出的却是被誉为“黑色黄金”的石墨烯复合硅碳负极材料。

“它突破了现有动力电池的能量密度和功率密度瓶颈。”宁波富理硅碳负极材料研发总监季晶晶介绍，石墨烯复合硅碳负极材料可以让充放电速度更快，循环次数提升30%到40%，达到1000次甚至2000次，这意味着，同样大小的电池，不仅能存更多电，还能承受更频繁的充电，电池的循环寿命也更长。

如此巨大的性能提升，源于硅碳负极与石墨烯这对“黄金搭档”的协同效应。

为何是“硅”？中国科学院宁波材料所研究员、国家石墨烯创新中心主任刘兆平解释道，目前电池负极广泛使用的是石墨材料，其理论储比容量“天花板”较低，约为372mAh/g，一般情况下只能发挥到350mAh/g，限制了电池能量密度的提升。

而硅是一种公认的“储能猛兽”，理论容量高达4200mAh/g，是石墨的10倍以上。早在三十多年前，科学家就想用它来做负极。

“但硅有个致命的缺点，它在充放电过程中，体积会剧烈膨胀和收缩。”刘兆平表示，硅颗粒在反复膨胀下会碎裂，导致电池结构破坏、性能迅速衰减，这正是硅基负极多年难以商用的核心难题。

如何“巧手驯兽”？宁波的技术团队打出了精妙的“组合拳”——

首先，用“碳”束缚膨胀。“我们将小于2纳米的硅颗粒沉积到多孔碳基体内部，让纳米硅限制在碳孔道中，大幅降低了体积膨胀和副反应。”

石墨烯则是“点睛之笔”。刘兆平解释道，借助其优异的力学特性和导电性，在硅碳复合物表面再包裹一层石墨烯，形成一个具有优异导电性的应力缓冲层，显著提高了硅碳负极的循环稳定性和充放电性能。“这就好比给小朋友穿上棉袄，既保暖又不怕摔。”

这条年产300吨的中试生产线配备了全球领先的批次百公斤级流化床化学气相沉积设备，每天能试制上千支不同型号的电芯，为全球企业提供研发和中试服务，打通了从基础材料研发到市场应用的“最后一公里”。

“我们将以这条中试生产线的生产运行为基础，进一步推进万吨级产业化。”刘兆平告诉记者，“我们有十足的信心把石墨烯的成本降下来，让它真正赋能整个锂电池行业，实现极高的性价比。”

从宁波富理的产业化突破，到国家石墨烯创新中心的平台化支撑，宁波正在构建一个石墨烯产业从“0”到“1”的创新生态圈。

作为全省首个国家制造业创新中心，国家石墨烯创新中心已成功组建研发团队28个，覆盖薄膜烯、电热烯、导热烯、烯涂层、烯芯片、烯电池等多个核心领域，支撑培育孵化石墨烯企业30余家。

未来，蓄势待发。石墨烯与电池的这场双向奔赴，将开启一个“能量自由”的新纪元。