固态电池大战前夜：石墨烯领跑，新材料破局

作为动力电池领域的“圣杯”，固态电池理论上能够彻底解决电动汽车在安全性、续航里程、电池成本等三方面痛点，为电动汽车持续输血供能，一直以来是动力电池巨头们的宠儿，也是众多科技企业关注的重点，北京旭华时代科技有限公司(以下简称“旭华科技”)亦是其中一员。

宁德时代、南都电源、赣锋锂业等巨头的陆续下场，被视作固态电池爆发前夜的信号。此时，一直被提及但十分神秘的新材料——石墨烯，有望领跑固态电池赛道，并在固态电池产业化进程中注入强心剂。

一根铅笔与一颗钻石

何为石墨烯？柔软易碎的石墨，与坚硬无比的钻石，看似大相径庭，实则都是碳元素的同素异形体，由于碳原子的排列组合方式不同，才呈现出完全相反的特点。

铅笔书写丝滑但又十分脆弱，是因为笔芯的原材料——石墨，为片层状的碳原子结构，虽然每一层都异常坚固，但层与层之间的范德华力（分子间作用力）较小，一旦施加外力就容易分层断裂。

换句话说，若能成功分离出石墨中坚固稳定的单层碳原子，就可以得到高强度、高柔韧性的材料。

一根铅笔和一颗钻石之间的差距，为英国曼彻斯特大学的两位物理学家提供了灵感，“撕”出了新材料的无冕之王——石墨烯。这一发现，不仅让石墨烯走进千家万户，而且登上了诺贝尔奖舞台，如今，更成为固态电池的领跑者。

曲面石墨烯，固态电池的下一个答案？

固态电池电极与固态电解质的高界面阻抗，始终是业界难以解决的问题，处理不好会使固态电池的性能急剧下降。石墨烯绝佳的导热性和导电性，则可以解决以上两大难题。

石墨烯导热系数高达5300W/mK，是铜的10倍，铝的25倍，且电阻率只有10^-6Ω·cm10，远低于铜或银等常见导体，这意味着，在石墨烯中，电子跑得飞快。因此，石墨烯材料运用于固态电池，不仅能极大提高电池性能，更不用担心一直以来被诟病的散热问题。

就市场来看，目前制造出来的石墨烯产品大多不是完整的单层结构，而是复合后的多层结构，让石墨烯的优势大打折扣。而曲面石墨烯的加入，让固态电池大战的前夜迎来破晓时刻。

旭华科技研发的曲面石墨烯，在石墨烯基础上进行控制产品尺寸和防抱团两大突破，使得碳原子处于一定的应力状态，形成了一种新型的石墨烯结构，应用于固态电池电解质和正负极材料中，可以提升石墨烯表面和电极之间的穿梭运动，在充放电速度、电池容量、循环寿命等方面进行指数级突破。

从实验室到量产还有多远？

此前，中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高不久前在新能源科学与交通电动化国际论坛上的话传递出一个信号中国电池企业将在固态电池领域展开集体攻势，抢占未来电动汽车市场的制高点。

“以固态电解质研发为核心的全固态电池正在研发中，预计2030年成熟。下一步要产业化的是智能安全电池，就是把安全技术、智能技术全部结合起来进行产业化，应该在2025年。全固态电池估计在2027年-2030年之间达到规模产业化。”欧阳明高表示。

2025年近在眼前，而放眼全球，目前还未看到量产固态电池搭载在汽车上。此前，由大众汽车注资的美国电池研发团队Quantum Scape研发的固态电池量产交付遇到了阻碍。近日，在2024奇瑞全新创新大会上发布的“切角后不影响充放电的固态电池”，也要在2026年才上车。

从研发到上车的时间差，主要是卡在了量产环节。固态电池的成本高、内阻大，就是扼住量产“咽喉”的难题。

“成本低、可量产、尺寸均质、分散性优秀和固液态相互转化，是曲面石墨烯的五大优势，经济性排在第一位。”旭华科技首席专家朱光华介绍道。“单层石墨烯的市场公价是每克近千元，通过我们的技术，可以使成本下降至目前的1%。”旭华科技董事长崔旭进一步解释了石墨烯的产能与成本情况，“2022年，首批曲面石墨烯已经量产下线。目前，一周的产能在400公斤。”

400公斤不是小数目，由于其特性，每克石墨烯的总面积可以达到2600多平方米。石墨烯产能的突破，进一步缩短了固态电池上车的“最后一公里”。得益于技术突破、原材料供应能力提升，固态电池产业化应用进程逐渐加快，未来，可替代传统铅酸电池、锂电池，更可应用在消费电子（如5G手机）、电动汽车、新能源汽车、航天航空、移动设备等领域。

新材料的含金量还在上升

新材料作为现代工业发展的基石，历来是各国竞相争夺的科技高地。自问世以来，欧美、日本等国家对石墨烯这一材料视若珍宝，早有布局，但又各有侧重。

早在2013年1月，欧盟委员会就把“石墨烯旗舰计划”列为首批“未来新兴技术旗舰项目”之一，投资预算高达10亿欧元。“石墨烯旗舰计划”设立了12个工作组，囊括材料应用、复合材料、光电子、电子设备、传感器、生物医药、健康及环境等研究方向。

美国的布局则要更早一点。从2006年开始，美国国家科学基金会设立了众多碳基电子基础研究项目，其中就包括多项有关石墨烯的研发项目。

日本在石墨烯领域同样展现出了强大的研发实力和创新能力。日本学术振兴机构从2007年起开始对石墨烯相关材料、器件技术进行资助。今年，日本东芝公司还开发了一种利用石墨烯作为阳极材料的锂离子电池，称为SCiB（Super Charge ion Battery），适用于汽车、工业和家庭等领域。

中国石墨烯技术已在超级电容器、复合材料方面有了突出的创新和应用，不仅在实验室层面取得了重大突破，在除能源之外产业化和市场化方面也取得了显著进展。

在农业生产领域，利用曲面石墨烯的高吸附性、特殊结构和光学性质，能够促进植物光合作用的进行，减缓肥力的释放速度，从而加快植物生长，提高作物产量。

在工业领域，除电池电极材料外，石墨烯的高敏感度与电子特性，让它在半导体、传感器等领域大放异彩。水净化处理、重金属污染土壤修复、石墨烯润滑油以及混凝土增强剂等应用，都凸显出曲面石墨烯的广泛适用性。

当下，学术界和市场的需求之间仍存在较大差距，需要更紧密的合作来缩小这一差距，应通过研究人员、制造公司和应用企业的通力合作起草标准，拟定分级，指导产品进入特定市场，为石墨烯真正走上产业化道路奠定坚实基础。

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