一个从铅笔开始的故事:最坚硬的纳米材料,和跑得最远的电动车

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08-19 12:43

我们平时用铅笔写字,其实就是把铅笔芯里的石墨剥离到纸上。

2002 年,现任复旦大学物理系特聘教授、博士生导师的张远波,还是一位刚刚开始在哥伦比亚大学做研究的博士研究生。当时的他在研究一个此前还没有人涉足过的领域——石墨烯。

▲张远波,图片来自:复旦大学

在当时,还没有人能够把这一原子层从大块的石墨中分离出来,石墨烯仍被认为是假设性的结构。

顺着「铅笔写字」的思路,张远波花了两年时间制作了一批笔尖仅 1-2 微米的纳米铅笔,通过微机械手,可以在硅片上「写」出 10 纳米,也就是 30 层左右的石墨薄片。

向成功迈出了一大步的张远波当时非常兴奋,但残酷的是,和新闻报道一样,科学研究也是讲求时效的。

▲康斯坦丁·诺沃肖洛夫(左)和安德烈·海姆(右)和,图片来自:EktbTV

同年,曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功在实验中分离出石墨烯,二人也因此获得了 2010 年诺贝尔物理学奖。

张远波后来回忆道:「看到(他们的)论文之前,我们完全不知道他们在做类似的工作,我和我的导师都非常沮丧」。

尽管如此,科研还是要继续的。一年后,张远波分离出了质量更高的石墨烯,观察到了一个全新的物理现象——半整数反常量子霍尔效应。这不是今天的重点,就不过多介绍了。

▲石墨烯,图片来自:WIWI

重点是,在此之后,石墨烯的一系列独特性质先后被发现:

这是目前世界上最薄,同时也是最坚硬的纳米材料。不仅如此,这种近乎透明的材料拥有极佳的导电性,甚至超过了铜和银,在能源供给方面非常有潜力

例如,用作电动车的电池。

与电动汽车一样,续航一直都是两轮电动车的痛点之一。楼下的电动车充电区仿佛永远都腾不出位置,这种感觉就像…… 在沙面码头等飞机,在白云机场等轮船,以及下班前在爱范儿等厕所——

连充电器插头都伸不进去,更别说车了。

新国标落地后,国内两轮电动车迎来了一轮大洗牌,在这前后,一种名为石墨烯电池的新电池产品崭露头角并逐渐占据主流视线,成为了提升续航的一大推手。

最前沿的科技,理应用在最国民的电动车上。掀起这一轮能源材料革新浪潮的,正是目前市占率最高的雅迪。

▲图片来自:极客公园

关键词:续航

雅迪早在 2008 年就看到了石墨烯的潜力,但由于早期石墨烯的价格过于昂贵,他们并没有急于深入。直到 2017 年,雅迪就石墨烯及浆料的制备开展了一系列研究后,才逐渐加快了应用石墨烯电池的步伐。

▲图片来自:投资界

石墨烯电池上车的整个过程,其实与 16 年前张远波博士的故事差不多,科学研究,大抵都是如此。

「想要成功唯一的途径就是重复实验,这是走不了捷径的。」雅迪技术研究院动力能源中心总监韦士富在面对爱范儿采访时直白地表示。

▲韦士富正在接受爱范儿采访,图片来自:雅迪

而让雅迪下定决心要攻克石墨烯电池应用的,是其区别于传统铅酸电池的四大优势:

更长的寿命、更大的容量、更远的续航、更好的低温表现。

根据雅迪检测数据,相较于传统铅酸电池,石墨烯电池充放电可循环次数达上千次,寿命超普通电池 3 倍;同等体积下的石墨烯电池的容量也较普通铅酸电池提升了约 30%。

同时,石墨烯电池使用的是高活性防冻电解液,能够有效提升电解液扩散速率,从而提高电池反应活性,确保电动车的冬季续航。

▲雅迪冠能 3 E9 PRO,图片来自:牛摩网

具体到搭载 TTFAR 石墨烯 3 代 Plus 电池的冠能 3 E9 PRO 上,容量大、跑得远自不必提,它甚至能够在 -20°C 环境下充电。

有了优秀的产品表现作为支撑,雅迪的石墨烯电池自然也在市场上取得了不错的成绩,目前累计销量已经超过了 4500 万只。

▲图片来自:雅迪

谈及 TTFAR 石墨烯电池的市场表现,韦士富在采访中略显激动。

比起销售数字上的满意,这更是对我们整个研发团队的一个好的激励,我们长久以来所做的研发投入工作,能获得来自市场的积极反馈,这是很鼓舞人心的!

他表示,雅迪希望能够充分利用好这个庞大的用户体量,从真实的用户反馈和调研走访里去搜集、发现问题,优化技术方案。

▲雅迪冠能 3 E9 PRO,图片来自:雅迪

雅迪对于技术的执着,在其锂电产品中也有所体现。

今年夏天,雅迪发布 TTFAR 石墨烯 3 代 Plus 电池时,也同步带出了他们在锂电方面的研发成果——TTFAR 碳纤维 2.0 锂电池。

▲TTFAR 碳纤维 2.0 锂电池,图片来自:雅迪

据韦士富介绍,该电池是国标电动自行车中容量最大的锂电,采用方形层叠电芯及紧凑 PACK 工艺,容量较普通锂电池提升了 100%。

而在安全方面,雅迪采用了单晶混合锰酸锂+磷酸锰铁锂的搭配,在材料源头上为电池安全打上了「双保险」。

同样以产品为例,搭载 TTFAR 碳纤维 2.0 锂电池的冠能 3 S9 MAX 轻松突破 200 公里的续航,成为了续航最长的新国标电动车。

▲雅迪冠能 3 S9 MAX,图片来自:雅迪

200 公里是什么概念?

即便是每天通勤 40 公里的光荣打工人连上五天班,期间都不用给车充电,周末再挑个没人的时间快速把电充满,迎接下一周的打工生活。

关键词:成本

如今看来,石墨烯电池已是十分成熟的技术,但在 2008 年将这种行业内从未使用过的新型材料运用于电池之中,意味着在研发道路上并没有先例可供参考,一切都只能「摸着石头过河」,并且随时面临着研发失败的风险。

「所以我们要更加严谨耐心地制定严格的试验方案,持续推进,这是一个长期且枯燥的过程,」韦士富说。

团队的互相信任、坚持和奔着同一目标冲刺的决心,是让我们取得现在阶段性成果突破的关键。

在种种困难的磨砺下,雅迪科研团队不断创新,将能源科技不断完善升级,成功推动了整个行业能源技术的进步。

▲图片来自:凤凰网

但在与韦士富的对话中,爱范儿了解到,最难攻克的困难反而不在于技术,而在于成本——

石墨烯与起初与黄金一样具有稀缺性,所以也被称为「黑金」。

「在那几年,1 克石墨烯的价格高达 2000 元人民币,昂贵的成本费用使得研究被迫中断,而且即使石墨烯与电池结合成功,价格也必定让人望而却步。」韦士富回忆道。

然而在雅迪研发团队的努力下,很快成功开发出一套石墨烯制备专利技术,不但把石墨烯的成本降到了每克 1 元以下,并且性能优异、无污染物排放,保证了石墨烯的品质,最终也成功制造出了第一代石墨烯电池。

▲图片来自:雅迪

难能可贵的是,尽管在产品层面确实有分中高端产品及入门产品,但在技术层面上,雅迪并没有「区别对待」。

一个基本事实是,无论是定位高端化还是定位日常态的产品,其包括电池在内的底层技术研发都是要做得扎扎实实的。

韦士富认为,他们要做的是根据用户的差异化需求,来推动产品定位清晰及具体技术配置,他举了两个例子:

比如说有的用户,因为日常骑行里程较远,他们的第一诉求就是电动车的超长续航,那我们在打造这类型定位长续航的产品时,一定是优先围绕能满足这一点诉求展开。

那有的用户,他们可能对续航并没有那么在意,他们更希望整个车轻巧灵便,方便女性、方便老人家来骑,那我们就会优先围绕『轻量化』来打造推出能满足他们这一核心诉求的产品。

▲雅迪冠能 3 S9 MAX,图片来自:雅迪

雅迪对于用户体验的思考,同样体现在质保上——最新发布的雅迪 TTFAR 石墨烯 4 代电池,是行业首家能做到 3 年质保的电池产品,远高于「三包」标准。

关键词:挑战

在两轮电动车行业发展初期,市场仍未成熟,形式杂乱无章。经过多次内部研讨后,雅迪决定专注于两轮电动车业务,聚焦高端化与全球化战略,不断提升产品品质。

在「更高端战略」的推动下,雅迪面对 2015 年电动车行业销量整体下滑的背景,销量仍保持上升态势。2018 年间,雅迪整体销售收入更是逆势增长 25%,销量超 500 万台。

▲雅迪冠能 3 E9 PRO,图片来自:雅迪

而这两年,雅迪同样面临着严峻的市场考验。

从产品本身来说,受到经济环境影响,钢、铝等原材料价格持续上涨,供应链带来的成本压力不断上升。韦士富认为,在这种情况下,雅迪应做好两件事:

  1. 提高材料的使用效率,最大程度减少浪费;
  2. 加速技术革新,保证品质的同时降低材料使用成本,帮助进行成本控制。

此外,雅迪首创的石墨烯电池在市场上也引发了一些质量不高的跟风效仿,对行业及市场的规范化产生了一定影响,同时也引发了部分用户对于石墨烯电池的不满。

▲图片来自:雅迪

解决这一问题的方法只有一个——坚持产品品质,以良性的技术迭代升级来带动整个行业的健康发展。

未来,雅迪仍会坚持石墨烯电池+锂电池双线并行的研发产出模式,来辅助产品多样化功用的实现。其中,石墨烯电池仍会是一定阶段内的重点,雅迪将持续在石墨烯电池的轻量化、能量密度等方面做出提升。

雅迪会紧跟能源材料及相关技术趋势,始终保持开放探索的姿态,来制造更优质的产品。

说这句话时,韦士富的语气十分坚定。

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