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鋰電池負極材料“四大霸主”有什么特點

鉅大LARGE  |  點擊量:967次  |  2018年06月05日  

摘要
鋰離子電池的負極是由負極活性物質碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側,經干燥、滾壓而成。負極材料是鋰離子電池儲存鋰的主體,使鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出。

  鋰離子電池的負極是由負極活性物質碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側,經干燥、滾壓而成。負極材料是鋰離子電池儲存鋰的主體,使鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出。


  鋰電池充電時,正極中鋰原子電離成鋰離子和電子,并且鋰離子向負極運動與電子合成鋰原子。放電時,鋰原子從石墨晶體內負極表面電離成鋰離子和電子,并在正極處合成鋰原子。


  負極材料主要影響鋰電池的首次效率、循環性能等,負極材料的性能也直接影響鋰電池的性能,負極材料占鋰電池總成本5~15%左右。負極材料種類上,包括碳系負極、非碳性負極。從技術角度來看,未來鋰離子電池負極材料將會呈現出多樣性的特點。


  隨著技術的進步,目前的鋰離子電池負極材料已經從單一的人造石墨發展到了天然石墨、中間相碳微球、人造石墨為主,軟碳/硬碳、無定形碳、鈦酸鋰、硅碳合金等多種負極材料共存的局面。


  四種負極材料對比


  獨占一方的石墨烯


  石墨烯是由碳原子構成的只有一層原子厚度的二維晶體,因為質地薄、硬度大且電子移動速度快而被科學家廣泛推崇,并冠以“新材料之王”的美譽。盡管這位“王者”優異的化學性能被新能源市場所看好,但是至今為止依然停留在“概念化”的階段。


  如果將石墨烯用作鋰電負極材料的話,需要獨立的上下游產業鏈、昂貴的價格還有復雜的工藝,這讓眾多負極材料廠商望而卻步。盡管如此,國內依然有一些企業砥礪前行,目前中國安寶、大富科技以及貝特瑞等知名企業已經開始布局石墨烯產業。


  但是,行業內關于石墨烯用作負極材料的質疑也在不斷發酵,有人認為石墨烯的振實和壓實密度都非常低,又加之成本昂貴,作為電池負極材料前景十分渺茫。但是鑒于它的熱潮還在持續,說它是“一方霸主”也不為過。


  控制“主場”的人工石墨


  目前負極材料主要以天然石墨和人造石墨為主,這兩種石墨各有優劣。湖州創亞總經理胡博表示:“天然石墨克容量較高、工藝簡單、價格便宜,但吸液及循環性能差一些;人造石墨工藝復雜些、價格貴些,但循環及安全性能較好。通過各種手段的技術改進,這兩種石墨負極材料都可以‘揚長避短’,但就目前來看,人造石墨用于動力電池上占據一定的優勢”。


  而這一說法也在市場中得到了印證。相關媒體調研數據顯示,今年第一季度中國天然石墨產量4770噸,同比增長16.3%;人造石墨出貨15160噸,同比增長110.5%。從以上數據來看,人造石墨出貨量遠高于天然石墨,而造成這一現象的重要原因,是今年以來市場對動力電池的強勁需求。


  性能穩定的中間相碳微球


  中間相碳微球具有高度有序的層面堆積結構,是典型的軟碳,石墨化程度較高,結構穩定,電化學性能優異。據中咨網研究部統計數據顯示,2012年中國負極材料出貨量為27650噸,其中天然石墨出貨量占比59%,人造石墨30%,石墨化中間碳微球8%。就此說來,中間相碳微球是僅次于天然石墨和人工石墨的第三大主流碳類負極材料。


  據涂布在線了解,中間相碳微球在倍率性能上高出天然石墨和人工石墨,用在航模、動力工具上具有明顯的優勢。此外,它的熱穩定性和化學穩定性決定了它不易發生化學反應,使用在鋰電池上加大了安全保證。但是其制作成本高,工藝復雜且容易被替代,因此中間相碳微球產銷一直處于穩定地位,沒有被過多的發展。


  “新大陸”硅碳復合材料


  近日,一篇文章吸引了小編的注意,題目為《“硅”與“石墨”的愛恨情仇!》。文章中寫道,硅負極材料理論容量比達到4200mAh/g以上,遠高于石墨類負極(372mAh/g)。但硅負極材料卻存在天然的缺陷,即鋰嵌入到硅的晶胞內,會導致硅材料發生嚴重的膨脹,造成容量迅速下降,為了克服硅負極材料的這些缺點,科學家將硅負極和石墨材料結合在一起,硅碳復合材料由此而生,并被稱為“鋰電負極材料的新大陸”。


  據涂布在線了解,特斯拉發布的Model3就采用了硅碳負極作為動力電池新材料。通過在人造石墨中加入10%的硅基材料,特斯拉讓電池容量達到了550mAh/g以上,電池能量密度可達300wh/kg?,F在,這種用硅碳復合材料來提升電池能量密度的方式已是業界公認的方向之一。


  負極材料“四大霸主”雖各有千秋。但就目前的負極材料市場看來,石墨烯未來的發展捉摸不定。而近年來一直處于消費首位的人工石墨,也面臨著高性能的硅碳復合材料的挑戰,世界新能源汽車市場的領頭者特斯拉對硅碳復合材料的使用,必定會掀起一陣硅碳復合材料的熱潮,受其影響,未來鋰電池負極材料市場或將重新洗牌。而一直處于穩定地位的中間相碳微球,未來則不會產生太大的波動。


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