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锂电池负极材料"四大霸主"有什么特点

时间:2022-08-17 14:08:19来源:钜大LARGE

导语:​锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成。

  锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成。负极材料是锂离子电池储存锂的主体,使锂离子在充放电过程中嵌入与脱出。

  锂电池充电时,正极中锂原子电离成锂离子和电子,并且锂离子向负极运动与电子合成锂原子。放电时,锂原子从石墨晶体内负极表面电离成锂离子和电子,并在正极处合成锂原子。

  负极材料主要影响锂电池的首次效率、循环性能等,负极材料的性能也直接影响锂电池的性能,负极材料占锂电池总成本5~15%左右。负极材料种类上,包括碳系负极、非碳性负极。从技术角度来看,未来锂离子电池负极材料将会呈现出多样性的特点。

  随着技术的进步,目前的锂离子电池负极材料已经从单一的人造石墨发展到了天然石墨、中间相碳微球、人造石墨为主,软碳/硬碳、无定形碳、钛酸锂、硅碳合金等多种负极材料共存的局面。

  四种负极材料对比

  独占一方的石墨烯

  石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体,因为质地薄、硬度大且电子移动速度快而被科学家广泛推崇,并冠以“新材料之王”的美誉。尽管这位“王者”优异的化学性能被新能源市场所看好,但是至今为止依然停留在“概念化”的阶段。

  如果将石墨烯用作锂电负极材料的话,需要独立的上下游产业链、昂贵的价格还有复杂的工艺,这让众多负极材料厂商望而却步。尽管如此,国内依然有一些企业砥砺前行,目前中国安宝、大富科技以及贝特瑞等知名企业已经开始布局石墨烯产业。

  但是,行业内关于石墨烯用作负极材料的质疑也在不断发酵,有人认为石墨烯的振实和压实密度都非常低,又加之成本昂贵,作为电池负极材料前景十分渺茫。但是鉴于它的热潮还在持续,说它是“一方霸主”也不为过。

  控制“主场”的人工石墨

  目前负极材料主要以天然石墨和人造石墨为主,这两种石墨各有优劣。湖州创亚总经理胡博表示:“天然石墨克容量较高、工艺简单、价格便宜,但吸液及循环性能差一些;人造石墨工艺复杂些、价格贵些,但循环及安全性能较好。通过各种手段的技术改进,这两种石墨负极材料都可以‘扬长避短’,但就目前来看,人造石墨用于动力电池上占据一定的优势”。

  而这一说法也在市场中得到了印证。相关媒体调研数据显示,今年第一季度中国天然石墨产量4770吨,同比增长16.3%;人造石墨出货15160吨,同比增长110.5%。从以上数据来看,人造石墨出货量远高于天然石墨,而造成这一现象的重要原因,是今年以来市场对动力电池的强劲需求。

  性能稳定的中间相碳微球

  中间相碳微球具有高度有序的层面堆积结构,是典型的软碳,石墨化程度较高,结构稳定,电化学性能优异。据中咨网研究部统计数据显示,2012年中国负极材料出货量为27650吨,其中天然石墨出货量占比59%,人造石墨30%,石墨化中间碳微球8%。就此说来,中间相碳微球是仅次于天然石墨和人工石墨的第三大主流碳类负极材料。

  据涂布在线了解,中间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、动力工具上具有明显的优势。此外,它的热稳定性和化学稳定性决定了它不易发生化学反应,使用在锂电池上加大了安全保证。但是其制作成本高,工艺复杂且容易被替代,因此中间相碳微球产销一直处于稳定地位,没有被过多的发展。

  “新大陆”硅碳复合材料

  近日,一篇文章吸引了小编的注意,题目为《“硅”与“石墨”的爱恨情仇!》。文章中写道,硅负极材料理论容量比达到4200mAh/g以上,远高于石墨类负极(372mAh/g)。但硅负极材料却存在天然的缺陷,即锂嵌入到硅的晶胞内,会导致硅材料发生严重的膨胀,造成容量迅速下降,为了克服硅负极材料的这些缺点,科学家将硅负极和石墨材料结合在一起,硅碳复合材料由此而生,并被称为“锂电负极材料的新大陆”。

  据涂布在线了解,特斯拉发布的Model3就采用了硅碳负极作为动力电池新材料。通过在人造石墨中加入10%的硅基材料,特斯拉让电池容量达到了550mAh/g以上,电池能量密度可达300wh/kg。现在,这种用硅碳复合材料来提升电池能量密度的方式已是业界公认的方向之一。

  负极材料“四大霸主”虽各有千秋。但就目前的负极材料市场看来,石墨烯未来的发展捉摸不定。而近年来一直处于消费首位的人工石墨,也面临着高性能的硅碳复合材料的挑战,世界新能源汽车市场的领头者特斯拉对硅碳复合材料的使用,必定会掀起一阵硅碳复合材料的热潮,受其影响,未来锂电池负极材料市场或将重新洗牌。而一直处于稳定地位的中间相碳微球,未来则不会产生太大的波动。


标签: 锂电池

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