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鋰電池負極材料大體分為幾種

鉅大LARGE  |  點擊量:8481次  |  2018年06月02日  

摘要
 第一種是碳負極材料:目前已經實際用于鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。第二種是錫基負極材料:錫基負極材料可分為錫的氧化物和錫基復合氧化物兩種。

     第一種是碳負極材料:目前已經實際用于鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。第二種是錫基負極材料:錫基負極材料可分為錫的氧化物和錫基復合氧化物兩種。氧化物是指各種價態金屬錫的氧化物。目前沒有商業化產品。第三種是含鋰過渡金屬氮化物負極材料,目前也沒有商業化產品。第四種是合金類負極材料:包括錫基合金、硅基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂基合金和其它合金,目前也沒有商業化產品。第五種是納米級負極材料:納米碳管、納米合金材料。第六種納米材料是納米氧化物材料:目前合肥翔正化學科技有限公司根據2009年鋰電池新能源行業的市場發展最新動向,諸多公司已經開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前傳統的石墨,錫氧化物,納米碳管里面,極大的提高鋰電池的充放電量和充放電次數。


  鋰離子電池的主要構成材料包括電解液、隔離材料、正負極材料等。正極材料占有較大比例(正負極材料的質量比為3:1~4:1),因為正極材料的性能直接影響著鋰離子電池的性能,其成本也直接決定電池成本高低。


  鋰離子電池是以2種不同的能夠可逆地插入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物分別作為電池的正極和負極的2次電池體系。充電時,鋰離子從正極材料的晶格中脫出,經過電解質后插入到負極材料的晶格中,使得負極富鋰,正極貧鋰;放電時鋰離子從負極材料的晶格中脫出,經過電解質后插入到正極材料的晶格中,使得正極富鋰,負極貧鋰。這樣正負極材料在插入及脫出鋰離子時相對于金屬鋰的電位的差值,就是電池的工作電壓。


  鋰離子電池是性能卓越的新一代綠色高能電池,已成為高新技術發展的重點之一。鋰離子電池具有以下特點:高電壓、高容量、低消耗、無記憶效應、無公害、體積小、內阻小、自放電少、循環次數多。因其上述特點,鋰離子電池已應用到移動電話、筆記本電腦、攝像機、數碼相機等眾多民用及軍事領域。


  采用微波干燥新技術干燥鋰電池正極材料,解決了常規鋰電池正極材料干燥技術用時長,使資金周轉較慢,并且干燥不均勻,以及干燥深度不夠的問題


  具體特點有:


  1、采用鋰電池正極材料微波干燥設備,快捷迅速,幾分鐘就能完成深度干燥,可使最終含水量達到千分之一以上


  2、采用微波干燥鋰電池正極材料,其干燥均勻,產品干燥品質好。


  3、采用微波干燥鋰電池正極材料,其高效節能,安全環保。


  4、采用微波干燥電池正極材料,其無熱慣性,加熱的即時性易于控制。微波燒結鋰電池正極材料具有升溫速度快、能源利用率高、加熱效率高和安全衛生無污染等特點,并能提高產品的均勻性和成品率,改善被燒結材料的微觀結構和性能。synotherm注冊資金2008萬,是全球知名的工業微波窯爐裝備制造商和工業微波加熱解決方案提供商


  近年來,鋰電池相關政策陸續出臺推動著產業上下游企業如雨后春筍般成立。鋰電池主要由正極材料、負極材料、隔膜和電解液等構成,正極材料在鋰電池的總成本中占據40%以上的比例,并且正極材料的性能直接影響了鋰電池的各項性能指標,所以鋰電正極材料在鋰電池中占據核心地位。


  目前已經市場化的鋰電池正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等產品。


  隨著我國經濟的快速發展,對電池新材料需求的不斷增加,再加上手機、筆記本電腦、數碼相機、攝像機、汽車等產品對新型、高效、環保電池材料的強勁需求,我國電池新材料市場將不斷擴大。鋰電池作為電池未來發展方向,其正極材料市場發展前景看好。同時,3G手機推廣和新能源汽車的大規模商業化都將為鋰電池正極材料帶來新機遇。


  雖然鋰電池正極材料具有廣闊的市場,前景十分樂觀。但鋰電池正極材料還存在一定的技術瓶頸,尤其是它的電容量高與安全性能強的優勢還未充分發揮出來。


  實際上,在鋰電池正極材料領域,任何微小的技術革新都有可能掀起新一輪的市場拓展,我國企業應加強對正極材料關鍵技術的研發攻關,取得國際領先地位,增強核心競爭力,在國際競爭中取得優勢。


  目前鋰電池能量密度低。首先,能量密度低,車重了,空間也小了,需要發現電池新材料。其次,電池續航能力差,聲稱續航達到100公里以上的都是指理想狀態,實際路面續航都是60公里左右,如果在北京這樣的擁堵大城市,60公里不夠。第三個是安全性較差,這個問題尚存爭議,因為做電池的材料都不穩定,的確容易爆炸。


  鋰電池負極材料把握動力電池安全性命脈,在鋰離子電池負極材料中,除石墨化中間相碳微球(MCMB)、無定形碳、硅或錫類占據小部分市場份額外,天然石墨和人造石墨占據著90%以上的負極材料市場份額。在2011年的負極材料市場統計中顯示:負極材料的全球總產量應用達到32000噸,相比去年同期增長28%,其中天然石墨和人造石墨負極材料兩者占據了89%的市場份額,而隨著這幾年由于電子產品的增速,特別是手機平板電腦領域里鋰離子電池應用的增加,導致相應的電池正負極材料這幾年產能迅猛上升,石墨負極材料從2009年到2011年連續三年的增速都達到25%以上。


  2013年全球隔膜需求量可達5.63億平方米,為2011年市場容量的1.41倍,產值約17億美元。國內隔離膜市場需求2011年約1.28億平方米。我國鋰電產品已經占到全球約30%的市場份額。國內隔離膜市場需求與鋰電市場同步增長。


  目前國內隔離膜用量80%依靠進口,對國產隔離膜的需求還有很大的空間。國產隔離膜在國內市場的占比將快速上升,2013年國產隔離膜在國內市場的份額預計將超過30%,2015年將超過40%。


  綜合來看,鋰離子電池正極材料的發展方向是磷酸鐵鋰。雖然國內磷酸鐵鋰正極材料的研發如火如荼,但缺乏原始創新技術。鋰離子電池負極材料未來有兩個發展方向——鈦酸鋰材料和硅基材料。國內近年來開發的硅基材料基本能達到高比容量、高功率特性和長循環壽命的要求,但產業化還須突破工藝、成本和環境方面的制約。我國在鋰離子電池隔膜國產化方面已取得一定成績,但要實現高端產品的大規模生產仍有較長的路要走。六氟磷酸鋰在鋰離子電池電解質中占有絕對的市場優勢,但我國基本上受制于日本技術,自主研發實力薄弱。[1]


  電池材料中的導電涂層


  利用功能涂層對電池導電基材進行表面處理是一項突破性的技術創新,覆碳鋁箔/銅箔就是將分散好的納米導電石墨和碳包覆粒,均勻、細膩地涂覆在鋁箔/銅箔上。它能提供極佳的靜態導電性能,收集活性物質的微電流,從而可以大幅度降低正/負極材料和集流之間的接觸電阻,并能提高兩者之間的附著能力,可減少粘結劑的使用量,進而使電池的整體性能產生顯著的提升。


  涂層分水性(水劑體系)和油性(有機溶劑體系)兩種類型。


  導電涂層涂碳鋁箔/銅箔的性能優勢


  1.顯著提高電池組使用一致性,大幅降低電池組成本。如:


  ·明顯降低電芯動態內阻增幅;


  ·提高電池組的壓差一致性;


  ·延長電池組壽命;


  ·大幅降低電池組成本。


  2.提高活性材料和集流體的粘接附著力,降低極片制造成本。如:


  ·改善使用水性體系的正極材料和集電極的附著力;


  ·改善納米級或亞微米級的正極材料和集電極的附著力;


  ·改善鈦酸鋰或其他高容量負極材料和集電極的附著力;


  ·提高極片制成合格率,降低極片制造成本。


  涂碳鋁箔與光箔的電池極片粘附力測試圖


  使用涂碳鋁箔后極片粘附力由原來10gf提高到60gf(用3M膠帶或百格刀法),粘附力顯著提高。


  3.減小極化,提高倍率和克容量,提升電池性能。如:


  ·部分降低活性材料中粘接劑的比例,提高克容量;


  ·改善活性物質和集流體之間的電接觸;


  ·減少極化,提高功率性能。


  不同鋁箔的電池倍率性能圖


  其中C-AL為涂碳鋁箔,E-AL為蝕刻鋁箔,U-AL為光鋁箔


  4.保護集流體,延長電池使用壽命。如:


  ·防止集流極腐蝕、氧化;


  ·提高集流極表面張力,增強集流極的易涂覆性能;


  ·可替代成本較高的蝕刻箔或用更薄的箔材替代原有的標準箔材。


  不同鋁箔的電池循環曲線圖(200周)


  其中(1)為光鋁箔,(2)為蝕刻鋁箔,(3)為涂碳鋁箔


  鋰電池負極材料的研究


  作為鋰二次電池的負極材料,首先是金屬鋰,隨后才是合金。但是,它們無法解決鋰離子電池的安全性能,這才誕生了以碳材料為負極的鋰離子電池。


  聚合物鋰離子電池的負極材料與鋰離子電池基本上相同。從前面講過聚合物鋰離子電池的發展過程可以看出,自鋰離子電池的商品化以來,研究的負極材料有以下幾種:石墨化碳材料、無定形碳材料、氮化物、硅基材料、錫基材料、新型合金和其它材料。本章主要講述實用負極材料,即石墨化碳材料,其它負極材料的研究在進行論述。


  對于實際應用負極材料而言,要考慮的因素比較多,除了可逆容量、不可逆容量和循環性能外,還應該包括負極材料與集流體的黏結性(即涂布性)、制成負極極片的壓實密度、體積容量密度、質量容量密度等,而后面這些因素往往是從事負極材料研究的人員所忽略的。當然,負極材料的導電性、比表面積也是要考慮的因素。


  由于碳材料種類比較多,為了更好地了解負極材料,對一些與碳材料有關的基本知識先進行介紹。


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