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星城石墨总经理皮涛:前瞻负极材料技术布局

作者:  来源:高工锂电网  发布日期:2015-09-10 访问量:

【高工锂电专稿】 【文/湖南星城石墨科技股份威尼斯在线app下载总经理皮涛】这是一个最好的时代,也是一个最坏的时代。
  在政策和市场的双轮驱动下,新能源汽车进入高速发展的快车道。由于锂电池具有综合性能好、技术成熟度高及产业链布局相对完善等优势,成为现阶段新能源汽车用动力电池的最佳选择,锂电池行业迎来巨大的发展商机。
  作为锂电产业链的前端,众多负极材料厂家都在积极开展研究,开发出多种负极材料,主要分为碳负极材料,包括人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳等;非碳负极材料,包括钛酸锂、锡基材料、硅基材料等。
  石墨负极仍占主流
  就负极材料而言,在未来的一定的时期内,还应以石墨类负极材料为主。一是因为新型负极材料的技术与应用还不成熟,还需要时间磨合与改进;二是石墨类负极的价格优势明显;三是石墨类负极材料与正极材料、电解液等其他锂电池材料相匹配的技术较为成熟。
  不过,从长远来看,负极材料厂家在立足于石墨类负极材料的同时,需加大力度尽早开发出新型负极材料,抢占先机。因为石墨类负极材料的理论克容量为372mAh/g ,市面上性能较好的石墨负极材料已经能达到360 mAh/g,克容量逐渐趋于极限值,不能满足下游电芯日益增长的性能要求。
  目前业内关注比较多的新型负极材料有钛酸锂、硬碳、硅碳复合材料等。
  钛酸锂安全性好、循环性能突出、可快速充放电、工作温度范围宽(-30
至60)、自放电小,但其对锂电位高、电池制作过程中易产气、电子导电性不好、价格也较高,而且其容量密度的短板,限制了其未来很难成为主流锂电池负极材料。
  硬碳嵌锂容量大、价格合适、循环寿命长,但存在不可逆容量大、放电电压高、与国内其他材料体系吻合度不是太高等问题。
  理论比容量高是硅碳负极材料的最大特点,但也存在首次放电效率低、硅的膨胀导致循环性能差等缺点。但其容量的唯一优势就足以引起各大企业足够的兴趣,因为,目前阶段的技术研究方向尚无更好的替代方案。
  这几种新型负极材料各有各的优势和缺点,如果通过技术进步能弥补这些材料的缺点,那这些新型负极材料都有可能主导或占用部分未来锂电池负极材料市场。
  完善石墨类存量技术
  技术发展日新月异,每一种材料有其自身的特性。现在不是一招打遍天下无敌手的时代了,而是一个百家争鸣百花齐放的时代,是一个融合的时代。做企业要踩好平衡,协同发展,既要活在当下,又要抬头看路,对现有负极材料的技术主要是盘活存量技术,满足差异化的市场需求。
  高能量密度人造负极材料--这类负极材料共性需求是容量高、密度大、反弹小、循环好,能够应用于高能量密度圆柱电池、软包电池和动力电池的需求。开发这类人造负极材料的关键技术在于:优质原料的选择;二次颗粒的结构设计;颗粒表面修饰;超高温石墨化、催化石墨化技术等等。
  天然石墨新包覆和改性技术--天然石墨负极材料具有克容量高、加工性能好、成本低等优点。未来的技术改进重点是进一步改善安全性能、低温性能及提升循环寿命。天然石墨的改善思路是实现颗粒表面的均匀包覆、降低包覆层的厚度和电化学阻抗。包覆方式的选择和包覆材质的优化;需要一些理论上和工程上的技术突破,否则,难以解决天然石墨在动力电池方面的应用现状。
  高倍率负极材料--采用各向同性前驱体作为原料,开发一种小粒径人造石墨负极材料。这种负极材料倍率性能好、循环性能较佳,能够应用于HEV电池、汽车启停电池、电动工具电池、航模电池。开发这种小粒径人造石墨的关键技术在于:优质原料的选择;粒径和比表面积的控制;颗粒球形化处理。
  软碳负极材料--软碳属于无定形碳,微观有序而宏观无序,晶粒尺寸小,晶面间距大,非常适合锂离子的快速脱嵌。软碳的电化学阻抗较小,结构稳定,具有良好的高低温性能、倍率性能及循环性能。软碳的缺点是克容量较低、压实密度较低,且没有明显的充放电平台,因此软碳的能量密度不高。由于软碳具备上述特性,它一般作为负极材料添加剂使用,用于改善低温性能、倍率性能或者循环性能;由于低温性能、倍率性能和循环性能极佳,它也可以单独作为负极材料使用,应用于某些特殊项目,如汽车启停电池。
  业内需要进一步提升软碳的克容量、首次效率,同时维持软碳本身的优点。其关键技术是:优质原料的选择;热处理技术;颗粒粒径及形貌设计。
  硅碳复合材料--针对未来高容量密度的负极材料,目前硅碳是最有可能产业化的技术,采用纳米硅作为原料,碳源包括树脂、沥青、活性炭或者其它高分子材料,开发一种具有核-壳结构特征的硅碳复合材料。
  这种硅碳复合材料克容量远高于传统石墨负极材料,循环性能及其他电化学性能够满足现有下游客户的要求。开发硅碳复合材料的关键点在于:硅碳复合技术、产业化成本以及硅碳材料在锂电池的应用技术,相信在不久的将来威尼斯在线app下载看到硅碳负极材料在锂电池行业的大范围应用。
  掌握未来话语权
  在锂电池行业飞速发展期,负极材料企业如何快速推出新产品及缩短产品的评估时间、开发成本是关键。业内需不断强化产品检测和电池评估体系研究,优化评估方式和不断采纳新的评估技术。
  首先,需要建立完善的材料评价体系,不仅可以评价材料的物理性能指标,还要可以评估各种负极材料的应用特性研究和电化学性能,包括材料的分散特性、吸液特性、压实反弹特性、材料的反弹率、材料克容量的发挥、材料与电解液的兼容性等电池基础性能,同时可以评估材料的电化学阻抗、高低温放电性能、材料的容量保持率、恢复率特性、材料的长寿命循环特性等。
  其次,在材料检测方面,通过SEM、XRD、EIS、XPS等先进的测试设备,可深入全面地了解材料的各项特性;同时,不断找寻和应用更加先进的检测仪器,如等离子切割、XPS等高新设备,为材料的检测评估和产品开发服务。
  总的来说,负极材料作为锂电产业链的一环,发展取决于产业链的生态圈,尤其是新型负极材料。就目前来说,由于高性价比,石墨类负极材料在未来5-10年仍占据市场主流,而新型负极材料还处于研发导入期,产业化进程不断加快,这就要求威尼斯在线app下载能够预见市场的发展趋势,做好技术储备,满足市场的持续需求。
  谁不抓好目前锂电池快速发展的主流市场,谁就活不过今天,谁不能尽早开发出新型的锂电池负极材料,谁就失去未来。



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