石墨烯電池初露頭角 發展潛力可期

作者 : Liam Critchley,EE Times特約作者

電池是石墨烯商業潛力最大的高科技應用之一;不過,當我們談到持續成長的石墨烯電池市場時,要注意的是目前商用產品只有數款,不是數百款,而且這是一個相對較專業的技術領域。

歷經多年的學界開發與討論,石墨烯(graphene)在電池以及其他能源儲存元件(例如超級電容)內的應用,已經在市場上有一些針對不同終端應用的商業解決方案;它們是在這幾年才冒出頭,或許市場發展速度不快,卻可以看到有越來越多產品問世,包括在2022上半年。

石墨烯的商用化已經有許多年,在一些非高科技應用時常可見,像是服飾與紡織品就是其最大(以商用產品數量來看)應用市場之一。而石墨烯儘管潛力無窮,眾所周知,該種材料進軍較高科技應用領域的路途卻不順暢。這種情況在過去兩、三年發生了改變,如今石墨烯被發現在不少科技應用領域具備商機,包括電池、能量儲存、生物感測器與手機散熱系統(有數款中國品牌手機採用石墨烯冷卻系統)。

其中電池是石墨烯商業潛力最大的高科技應用之一;不過,當我們談到持續成長的石墨烯電池市場時,要注意的是目前商用產品只有數款,不是數百款,而且這是一個相對較專業的技術領域。從2020年到現在,在市場上較知名的幾款石墨烯電池產品之一,包括中國車廠廣汽集團(GAC Group)歷經多年開發測試,在2021年量產的電動車(EV)電池,將被應用於該公司預計2022年稍晚上市的Aion V車款。

針對商用電動車應用的石墨烯電池商業化,或許是該種材料迄今最大的進展。歐洲業者Skeleton Technologies開發了超快速充電石墨烯電池與超級電容,利用了一種很有趣的「皺褶」(crumpled)石墨烯材料;該種電池仍在開發階段,目標應用也是車輛,而石墨烯超級電容則已經被應用在一些氫燃料電池巴士中。

除此之外,澳洲業者Strategic Elements正在利用石墨烯墨水開發一種軟性、可自充電電池,目標應用是可穿戴式醫療/消費性電子裝置市場;不過這款軟性電池到現在並沒有太多新訊息,可能還在原型產品階段。有鑑於過去幾年穿戴式裝置領域對採用石墨烯或其他2D材料的軟性電池開發興趣濃厚,我們還是可以預期看到該類產品上市(但也可能來自其他公司)。

市場現況

2022年已經過了一半,除了以上提到的幾家公司,市場上還有一些關於石墨烯電池商用產品的有趣進展:

˙航太用電池

總部位於美國加州的電池製造商Lyten在今年1月宣佈與政府合作,將為美國新成軍的太空部隊(U.S Space Force)開發石墨烯電池。該公司已經打造了運用於小型衛星的產品原型,而因為先前電動車也是其目標市場,也許會看到更多相關成果。

/wp-content/uploads/sites/5/2022/07/Lyten.png

Lyten的下一代電動車用鋰硫電池。(來源:Lyten)

在新穎的航太應用之外,Lyten石墨烯電池有趣之處在於它們基本上是鋰硫(lithium-sulfur,Li-S)電池。鋰硫電池因為高能量密度特性,其商業化前景備受矚目,但硫化物電極通常會有「多硫化物穿梭」(polysulfide shuttling)問題,也就是硫離子會離開電極、發生反應並形成長鏈分子,在過程中會導致電極與電池性能的劣化。

多硫化物穿梭效應一直以來都是鋰硫電池大量商業化的障礙,Lyten利用石墨烯層(3D形態)抑制電極的表面反應;這會帶動朝向硫化鋰(Li2S)分子──非Li2S8與Li2S6長鏈分子──從陰極被放電的反應。因為Li2S分子本來就應該在循環中從陰極釋放,這能讓電池運作更長久也更正常;此發展也可望讓石墨烯電池以及鋰硫電池在高價值終端應用市場被更廣泛採用。

˙電網儲存用電池

另一個石墨烯電池領域的最新進展,來自於從美國麻省理工學院(MIT)獨立之新創公司PolyJoule。該公司開發的電池是標準雙電極電化學電池,採用的是導電聚合物與碳-石墨烯混合材料的組合,鎖定電網儲存應用,特別是利用間歇性可再生能源的電網。

這是因為PolyJoule的電池號稱能在10秒內快速放電(達1MW),以保護電池對抗電壓間歇效應;此外該電池也能在5分鐘之內重新充電,確保在需要時有電。而且不同於其他電池,該種電池不會產生熱,不需要任何散熱管理,而且具備耐用特性。

這種電池技術還非常新,公開的資訊有限;除了電網,也號稱能支援一般工業能源儲存以及資料中心的不斷電系統應用。它們的設計絕對是以工業市場應用為考量,這是一個有待石墨烯電池開發的新市場;該市場是否會起飛,以及PolyJoule電池是否能大規模部署以覆蓋電網與其他工業領域應用需求,值得密切關注。

展望未來

我們沒有人能預言未來,不過石墨烯電池具備廣泛的應用潛力。隨著世界對能源需求日益提升──無論系統規模尺寸大小──就會需要更小、更高能量以及更高密度的能源儲存系統。石墨烯電池市場預期在未來也會繼續發展,特別是我們已經看到一些鎖定不同終端應用的產品問世,以及產業界與官方攜手進行的研發專案。或許不會有數百款產品問世,但石墨烯電池將會填補傳統化學電池無法有效發揮作用的一些空缺領域。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年7月號

編譯:Judith Cheng

(參考原文:The Evolution of Graphene Batteries,By Liam Critchley)

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論