电池的未来并不在“大”——而在于“小”

电池是现代社会的主要技术，锂离子电池已成为全世界的主导架构——不仅在电动汽车 (EV) 等高端技术中，而且在低成本消费品中也是如此。锂离子电池如今无处不在，其他电池系统需要进行重大创新才能取代它们，特别是当有许多进步专注于改进现有锂离子系统时。

虽然许多人都在考虑“大”创新，但电池系统的未来很可能是在于“小”的。纳米材料已成为许多行业的颠覆性材料，不同的纳米材料现在被添加到不同的电池系统中。其中一些是在现有的锂离子电池系统中，以提高其电池性能和稳定性，而其他方法则正在创建属于较少探索和较少商业化的电池系统的新电池。

当谈到高端电子产品中的纳米技术时，经常有人说它是“未来的技术”。纳米材料行业已经存在多年，“未来”就在眼前，商业市场上有许多不同的纳米材料增强型电池，并用于最终用途的消费产品。它不再是仅限于学术实验室的技术，它们开始对现实世界产生影响。本文展示了纳米材料电池系统商业化的进展情况。

石墨烯增强型锂离子系统

当谈到对电池具有商业影响的纳米材料时，很少有比石墨烯更大的了。石墨已被广泛用作阴极材料，因此众所周知，石墨烯层在电化学电池的日常功能中是稳定的——石墨烯和石墨的使用之间存在明显的性能和机械差异，但在基本原子上-单层级别，它们具有相同的结构。这导致石墨烯被用于电化学电池的不同部分，包括两个电极。

与其他纳米材料相比，石墨烯引起人们广泛关注的原因有很多。首先，它的电子特性有据可查；电导率高达100mS/m，载流子迁移率约为15,000cm² v^-1 s^-1，载流子浓度高达10¹¹ –10¹² cm²，是电池系统的优异材料。

一旦将这些电特性与高热、化学和结构稳定性以及 3000–5000Wm^-1 K^-1的高导热率（用于散热）结合起来，石墨烯就具有优于许多其他材料的一系列特性。

当然，根据所使用的石墨烯类型存在一些变化，某些石墨烯类型比其他类型具有更好的性能。但石墨烯为电池制造商提供了提高许多不同行业锂离子电池性能和稳定性的机会。集成石墨烯的成本一般不高，因为只需要极少量的石墨烯就可以带来改善。

因此，多年来学术上取得了许多进步，但许多人没有意识到，当今市场上有大量基于锂离子架构的商用石墨烯增强电池。

说到锂离子电池，目前最热门的领域之一是电动汽车电池。电动汽车已经提供了多种类型的电池，但与消费技术的许多领域一样，迄今为止，锂离子电池赢得了这场竞争。石墨烯也已经渗透到这个市场。全球石墨烯电动汽车电池的最大发展来自中国，广汽集团目前在其已上路的 Aion V 电动​​汽车中使用石墨烯锂离子电池。福特也在其车辆中使用石墨烯，但作为消音器，而不是用于电池。Aion V 标志着消费者首次在现实世界中使用石墨烯电动汽车电池。

但这并不是石墨烯电动汽车电池的唯一例子。爱沙尼亚的 Skeleton Technologies 一直是石墨烯电池和超级电容器商业的重要推动者，并一直在为一系列行业开发电池和储能系统。其石墨烯电池被称为“超级电池”，并且一直针对更多的商业领域，而不是普通的电动汽车道路用户，其石墨烯超级电容器系统也是如此。一些著名的合作伙伴关系和合作包括用于当地电动公交车、垃圾车、地铁运输系统和矿用卡车/采矿设备的石墨烯储能系统。

Nanotech Energy 是锂离子电动汽车领域近期创新的另一个例子，该公司正在为电动汽车和电动自行车制造石墨烯增强型电池。顺便说一句，它也将其石墨烯电池称为“超级电池”。这仍然是一个相对较新的发展，人们对其性能知之甚少，但看起来许多行业都成为了目标。

但这不仅仅与电动汽车有关。2023 年的最新进展之一来自 CAT，该公司开发了一款与其电动工具配合使用的 5Ah 18V 电池组。与上面的其他示例一样，它是一种用石墨烯增强的锂离子电池。到目前为止，它已在市场上与锤钻一起使用，但由于许多电池组在电动工具中是可互换的，我们可以看到在不久的将来会有更多的产品线配备相同的电池系统。

其他石墨烯电池系统

当然，将石墨烯集成到电池中的许多努力都是以锂离子电池的形式进行的，因为它们是市场上最主要的电池，拥有最高水平的消费者信任（如果你忽略不那么常见的电动汽车）以及多年来手机电池起火的情况）。

因此，瞄准最大的市场并尝试改善现状是有意义的——因为众所周知，锂离子电池之所以如此受欢迎，是因为电池性能和长期稳定性之间的权衡，还有许多其他电池架构具有更高的理论能量密度。

除锂离子电池外，许多电池都难以在市场上取得重大进展。制造商现在正在尝试利用其他电池架构的能量密度特性，并利用石墨烯固有的稳定性来使其更具商业可行性。

与锂离子系统一样，市场上有许多商业产品和工业原型（或计划很快上市）。这些石墨烯电池的有趣之处在于，目标市场更有趣，并不是所有的目标市场都旨在扰乱锂离子市场，因为有些电池希望进军空间技术等其他市场应用。

进入太空

说到太空技术，这是美国Lyten公司已经探索的领域。它一直在与美国政府合作，为航天领域制造基于石墨烯的电池，并且已经为小型卫星应用制造了原型。除此之外，Lyten 还瞄准了电动汽车市场。这里的关键进展之一是它正在使用石墨烯来商业化锂硫电池，由于多硫化物效应，锂硫电池长期以来一直难以商业化——锂和硫的长中间分子链从阴极放电并使电池短路。

通过使用石墨烯，Lyten 成功抑制了阴极的表面反应，并推动反应向较短链的 Li₂S 化合物发展，而不是通常形成的较长链 Li₂S₈和 Li₂S₆ – 因此纳米技术的小规模已经帮助为电池领域一些旧的商业化挑战提供解决方案。

石墨烯还通过美国公司PolyJoule在电网存储应用中商业化，该公司正在使用石墨烯来增强锂聚合物电池。它们正在开发中，具有高达 1MW 的放电功率和快速充电时间，因此面向电网存储、工业储能设备和数据中心电源应用。

澳大利亚石墨烯制造集团公司（GMG）也采用独特的方法制造石墨烯增强型铝离子电池。该公司已经创建了小型铝离子电池袋的原型，但这是最近的一项开发成果，直到 2023 年底才被曝光。它有潜力成为一种独特的石墨烯电池架构，预计存储容量为 500- 1000mAh。

2023 年以来的另一个独特进展是加拿大公司 Hydrograph 和斯里兰卡公司 Celyon Graphene 宣布正在使用石墨烯来提高铅酸电池的性能。虽然铅酸电池已存在多年，但此次合作的目标是与现有商业系统相比，将动态充电接受能力（吸收电荷的能力）提高高达 47%。它们仍处于原型阶段，但有望成为另一个石墨烯电池商业开发产品，很快就会推向市场。

硅阳极商业化

石墨烯可能会成为头条新闻，并占据市场上商用纳米技术电池的最大份额，但纳米技术最近已经实现了一些人们谈论了很长时间但从未真正在任何商业意义上体现出来的事情。即使用硅阳极制造商业上可行的电池。

由于其高理论密度，硅长期以来一直被认为是一种潜在的优秀电极材料。但如果电池系统要商业化，导电性能并不是一切。多年来，硅阳极一直难以打入市场，制造商未能将稳定的硅阳极推向市场。

硅面临的挑战背后的原因是阳极在充电/放电循环期间经历的体积变化（膨胀和膨胀）。这种体积变化会导致阳极和 SEI 层不稳定，导致阳极在使用过程中很快损坏。多年来，这一直是一个挑战，因为制造商和研究人员一直在寻找块状硅材料（就像他们对许多电子产品所做的那样），而事实上，他们应该一直在寻找更小的材料。是的，正是纳米级硅使得第一个商业上可行的硅基阳极进入市场。

这项创新来自美国公司 Sila Nanotechnologies，并于 2022 年首次宣布。使用硅纳米颗粒作为阳极（一起构建成功能性阳极，而不是使用大块硅），它已经能够开发出一种阳极，由于其孔隙率比块状硅阳极高得多，因此可以应对充电/放电过程中的体积变化。

这些电池仍在开发中，但功能原型引起了人们的极大兴趣。它们计划于今年大规模生产，并于 2025 年投入商业使用，但这些电极最重要的进展之一是梅赛德斯希望使用它们为其电动 G 级 SUV 制造电动汽车电池。虽然这些硅电池仍在开发中，但纳米技术已经为制造硅基电池创造了难以置信的机会，初步估计其能量密度可能比使用传统石墨阳极的锂离子电池高 20-40%。

全球石墨烯制造

绝大多数使用纳米材料的商业电池系统都涉及一种或另一种形式的石墨烯。这是有充分理由的——它具有所有纳米材料中最好的电气、结构和稳定性特性，这使其成为电池系统的理想选择。我们投入了大量的时间、资金和合作来建设全球石墨烯制造业。

我们经常思考下一件大事，但是，就像许多电子领域寻求材料和工艺来创建更小的材料系统一样，电池行业应该寻求小型纳米材料来带来性能、稳定性和小型化优势（取决于应用）。其中很大一部分可能与石墨烯的使用有关，但纳米材料也能够创造出新的独特的商业可行的系统，例如硅阳极。它们不太可能是纳米材料带来的电池和电极设计的最后一个创新领域。