郭守武（右）與研究人員正在通宵做實驗。

“充電5分鐘，通話2小時”“隨取隨用，輕松出行”……隨著生活節(jié)奏的日益加快，人們開始對二次充電時長提出更高的要求，對有限時間內(nèi)效益最大化的期待，致使科研界和工業(yè)界一直在努力向著快充快放二次鋰離子電池方向努力。

近年來，我國開始大力發(fā)展動力電池和共享交通等相關產(chǎn)業(yè)，中國的動力型鋰離子電池相關行業(yè)也迅速發(fā)展，快充快放二次電池開始為大家所熟悉。

上海交通大學郭守武團隊通過近十年的研究，攻克多項科研和技術難關，在2017年工博會上推出了最新研發(fā)成功的“新型石墨烯及石墨烯基鋰離子電池”，為 “快充續(xù)航”的新能源革命奠定了堅實的基礎。

黑金科技：用石墨烯助力電池快充

科技革新從未止步，石墨烯技術的出現(xiàn)開啟了“快充快放鋰離子電池”的新紀元。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導電導熱性能最好的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”“新材料之王”。石墨烯作為一種新型低維碳材料，憑借其優(yōu)異的導電性能，可以提升相應電極材料的電導率，進而改善其充放電和循環(huán)性能；同時，石墨烯“柔韌”的三維網(wǎng)絡狀結構又可有效抑制電極材料在充放電過程中因體積變化引起的材料膨脹、粉化與聚并，并增強與集流體和電解液之間的導電接觸。因此，石墨烯能夠改進鋰電池正負極材料的電化學性能，進而極大地改善鋰電池的大電流充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。

“在鋰離子電池充放電循環(huán)時，為保持電荷平衡，電子的遷移必然伴隨Li+的嵌入或脫出。若電子不能及時導入或?qū)С觯患碾娮訉⑼ㄟ^極化效應反過來限制Li+的嵌入和脫出，使得材料電化學性能惡化。”郭守武在談及“快充快放”電池的研發(fā)情況時表示，“受制于傳統(tǒng)電池材料導電性能較低的問題，鋰離子電池更大功率的輸入/出其實并不容易實現(xiàn)。”

據(jù)悉，郭守武團隊在單層氧化石墨烯以及石墨烯的制備、分離和純化技術方面取得了突破性進展，探索了從石墨烯宏量制備技術的開發(fā)、應用研究到產(chǎn)品落地的產(chǎn)業(yè)化推廣之路。通過石墨烯包裹鋰離子電池正負極材料，有效地提高了電池材料的導電性能，并成功實現(xiàn)了其在鋰電行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應用，超閃快充的神話在一夕之間成為了可能。同時，結合先進的電池成組技術與電池管理系統(tǒng)，與上海碳源匯谷新材料科技有限公司、東旭光電科技股份有限公司共同開發(fā)出了以石墨烯快充快放鋰離子電池為基礎的“烯王”移動電源系列產(chǎn)品及動力電池模組。產(chǎn)品具有充放電速度快、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛應用于電動自行車、儲能系統(tǒng)、電動汽車等多領域，實現(xiàn)了快速充放電鋰離子電池的生產(chǎn)和商業(yè)化。

五大特點：新型電池開啟能源革命

更短的充電時間已經(jīng)成為人們使用智能手機、移動電源、電動車充電過程中的剛需，能否提高電池材料的導電性能是提高其快速充放電性能的重要途徑。郭守武團隊研發(fā)的新型石墨烯及石墨烯基鋰離子電池解決了快充快放問題，并兼具了安全可靠、綠色環(huán)保、造型時尚等五大特點。

石墨烯基鋰離子快充快放鋰離子電芯采用石墨烯包覆磷酸鐵鋰技術，可以更快速地實現(xiàn)充放電功能。過去，充滿5000mAh需要3.5小時，現(xiàn)在只需15分鐘。即使你前一天晚上忘了給移動電源蓄電也沒有關系，清晨刷牙洗臉吃早餐的時間，你的移動電源就能滿血復活。

實驗表明，采用新型材料石墨烯可實現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱。在同等工作參數(shù)下，石墨烯基高溫鋰離子電池的溫升比普通鋰離子電池降低5℃；60°C高溫循環(huán)2000次，容量保持率仍超過80%。由郭守武團隊開發(fā)的采用石墨烯基快充快放鋰離子電池的“烯王”一代二代移動電源，電池上限使用溫度提高了10℃，可在-30~80℃的環(huán)境下自由工作。“烯王”動力電池溫度適用范圍為-20~45℃。因此，即使在海拔2000米以上的高原地區(qū)使用，它們的充放電性能也依然穩(wěn)定。

烯王石墨烯基鋰離子電池產(chǎn)品在極其穩(wěn)定的石墨烯基正極材料保障高容量、長時間放電、久用、耐用的同時，均設定了過充保護、過放保護、過溫保護、過流保護、短路保護等安全保護功能，保障電芯和電池的穩(wěn)定及安全，免去人們在電池使用過程中的后顧之憂。

烯王二代移動電源配備智能休眠技術，不浪費每一分電量，合上支架自動斷電，更設置了節(jié)能方便的護眼LED臺燈，采用霍爾器件方式開啟與關閉，做到真正的一充兩用。同時，烯王全套電池產(chǎn)品均不含有鉛、汞、鹵化物等有害物質(zhì)，對環(huán)境十分友好，可謂真正的綠色能源。

為新能源革命“充電續(xù)航”

近年來，新能源汽車的發(fā)展如火如荼。相比于傳統(tǒng)燃油車幾分鐘加滿油，新能源汽車充滿電則需要幾個小時，在充電樁尚未“遍地開花”的前提下，快充技術便成為了影響電動汽車快速普及的重要因素之一，而快充電池也成為動力鋰離子電池的又一發(fā)展方向。

同時，郭守武團隊與上海碳源匯谷及東旭光電開展了產(chǎn)學研合作，完成了石墨烯技術及其相關的應用研究，開創(chuàng)了國內(nèi)快充/快放鋰離子的新時代，真正實現(xiàn)了15分鐘超閃快充和高度安全，站在了快充電池產(chǎn)業(yè)的制高點。目前，烯王二代移動電源自上市以來獲得了市場的強烈反響，烯王自行車用石墨烯基快充鋰離子電池也已成功與享騎單車等共享單車企業(yè)展開項目合作，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。未來，進軍新能源汽車領域，在現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎上進一步深化產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，將成為郭守武團隊下一個堅定的目標。

來源：中國科學報